Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Bioengineering
Click here for the English version

Bioengineering

בדיקה ביומכנית של הגידים של מורנה

Published: October 15, 2019 doi: 10.3791/60280
Automatic Translation
1,2, 1,2, 1, 1,2
1Department of Orthopedic Surgery, Columbia University, 2Department of Biomedical Engineering, Columbia University

Summary

הפרוטוקול מתאר יעיל ומלא מתיחה שיטות בדיקה ביומכנית עבור הגידים murine באמצעות שימוש מותאם אישית התאמה תלת-ממד גופי מודפס.

Abstract

הפרעות גיד נפוצות, להשפיע על אנשים בכל הגילאים, והם לעתים קרובות מתישה. טיפולים סטנדרטיים, כגון תרופות אנטי דלקתיות, שיקום, ותיקון כירורגי, לעתים קרובות להיכשל. כדי להגדיר תפקוד גיד ולהפגין יעילות של טיפולים חדשים, התכונות המכאניות של הגידים מדגמי בעלי חיים חייבים להיקבע במדויק. מודלים בעלי חיים מוריין נמצאים כעת בשימוש נרחב כדי ללמוד הפרעות גיד ולהעריך טיפולים חדשניים עבור tendinopathies; עם זאת, קביעת תכונות מכניות של גידים העכבר כבר מאתגרת. במחקר זה, מערכת חדשה פותחה עבור בדיקות גיד מכני הכולל 3D-מודפס גופי כי בדיוק להתאים את האנטוניות של הזרוע ואת calcaneus לבדיקה מכנית הגידים הגיד וגידים אכילס, בהתאמה. מתקנים אלה פותחו באמצעות 3D שחזורים של אנטומיה העצם יליד, מידול מוצק, וייצור מוספים. הגישה החדשה חיסלה כישלונות מרתק העובדתית (למשל, כישלון בצלחת הצמיחה כישלון ולא בגיד), ירד זמן הבדיקה הכוללת, והגדילה הגוברת. יתרה מזאת, שיטה חדשה זו ניתנת להתאמה בקלות לבדיקת גידים מורקיים וגידים מבעלי חיים אחרים.

Introduction

הפרעות גיד נפוצות מאוד נפוץ בקרב אוכלוסיות הזדקנות, אתלטי, פעיל1,2,3. בארצות הברית, 16,400,000 פציעות של רקמת חיבור מדווחות בכל שנה4 וחשבון עבור 30% מכל הביקורים הקשורים במשרד הרופא3,5,6,7, שמונה. האתרים המושפעים ביותר הנפוצים כוללים את מסובבי השרוול, גיד אכילס, וגיד הפצ'יני9. למרות מגוון של טיפולים שאינם אופרטיביים ואופרטיביים, כולל תרופות אנטי דלקתיות, שיקום, תיקון כירורגי, התוצאות להישאר עניים, עם תשואה מוגבלת לתפקד ושיעור גבוה של כישלון5, . שישה מטרים התוצאות הקליניות המסכנות הללו מונעים מחקרים בסיסיים וטרנסלבותית המבקשים להבין את הטדינפתיה ולפתח גישות לטיפול הרומן.

מאפיינים ביומכתיים מתיחה הם התוצאות העיקריות כמותית הגדרת תפקוד גיד. לפיכך, אפיון מעבדה של מטנופתיה ויעילות הטיפול חייב לכלול בדיקות קפדניות של תכונות מתיחה גיד. מחקרים רבים תיארו שיטות לקביעת התכונות הביומכאניות של הגידים מדגמי בעלי חיים כגון חולדות, כבשים, כלבים וארנבים10,11,12. עם זאת, מחקרים מעטים בדקו את התכונות הביומכאניות של גידים murine, בעיקר בשל הקשיים באחיזת רקמות קטנות עבור בדיקות מתיחה. כמו מודלים מורקיים יש יתרונות רבים עבור מכניזציה ללמוד tendinopathy, כולל מניפולציה גנטית, אפשרויות מגיב נרחב, ועלות נמוכה, פיתוח של שיטות מדויקות ויעילים כדי מבחן ביוזול רקמות murine נדרש.

כדי לבדוק כראוי את התכונות המכאניות של הגידים, את הרקמה יש לתפוס ביעילות, מבלי לחמוק או לקרוע העובדתי על ממשק אחיזה או שבירה של צלחת הצמיחה. במקרים רבים, במיוחד עבור גידים קצרים, העצם היא אחזה בקצה אחד ואת הגיד הוא תפס בצד השני. עצמות מאובטחים בדרך כלל על ידי הטבעת אותם בחומרים כגון אפוקסי שרף13 ו פולימתילמתיונין14,15. הגידים מוצבים לעתים קרובות בין שתי שכבות של נייר זכוכית, מודבק עם ציאנואקריאקרילי, ומאובטח באמצעות התפסים דחיסה (אם חתך הצלב הוא שטוח) או במדיום קפוא (אם חתך הרוחב גדול)15,16,17 . שיטות אלה הוחלו על גידים מורחיים בבחינה ביוחנונית, אבל האתגרים נובעים בשל הגודל הקטן של הדגימות ואת הציות של צלחת הצמיחה, אשר מעולם לא להתקשות18. לדוגמה, קוטרו של ראש מפרק murine הוא רק כמה מילימטרים, ובכך עושה מרתק של העצם קשה. במיוחד, בדיקות מתיחה של מורטין הרום קוצי גיד אל עצם דגימות לעתים קרובות התוצאות כישלון בצלחת הצמיחה ולא בגיד או בתזה הגיד. באופן דומה, בדיקה ביומכנית של גיד אכילס הוא מאתגר. למרות גיד אכילס גדול יותר מאשר גידים מורקיים אחרים, calcaneus הוא קטן, עושה מרתק זה קשה העצם. העצם ניתן להסיר, ואחריו לרתק את שני גיד הקצוות; עם זאת, זה מונע את הבדיקה של ההחזקה גיד לעצם. קבוצות אחרות הדו ח מרתק את העצם calcaneus באמצעות מותאם אישית ואביזרים19,20, עיגון על ידי מלחציים21, תיקון עצמית מרפא בטון פלסטיק22 או באמצעות חריץ בצורת חרוט22, עדיין אלה שיטות קודמות נשארות מוגבלות על ידי שיעור מעבר נמוך, שיעורי כשל גבוהים מפתים ודרישות הכנה מייגע.

מטרת המחקר הנוכחי הייתה לפתח שיטה מדויקת ויעילה לבדיקות ביו-מכנית מתיחה של גידים מורקיים, התמקדות בסופראספיאטוס ובגידים אכילס כדוגמאות. באמצעות שילוב של 3D שחזורים מאנטומית העצם יליד, מידול מוצק, ואת הייצור התוסף, פותחה שיטה הרומן כדי לאחוז את העצמות. אביזרים אלה מאובטח ביעילות את העצמות, מנעו לוחית הצמיחה כשל, ירד זמן הכנת דגימה, והגדילה בדיקות מוגברת. השיטה החדשה היא להתאמה בקלות כדי לבדוק גידים murine אחרים, כמו גם הגידים של חולדות ובעלי חיים אחרים.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

לימודי בעלי חיים אושרו על ידי הוועדה לטיפול בבעלי חיים מוסדיים באוניברסיטת קולומביה. עכברים המשמשים במחקר זה היו ברקע C57BL/6J ונרכשו מהמעבדה ג'קסון (בר הארבור, ME, ארה ב). הם היו שוכנו בתנאי מכשול ללא פתוגן וסופקו מזון ומים libitum המודעה.

1. פיתוח מותאם אישית התאמה תלת-ממד ואביזרים עבור עצם מרתק

  1. העצם רכישת תמונה ובניית מודל 3D העצם
    1. לנתח את עצם העניין כהכנה ליצירת דגם תלת-ממד ולהדפסת אחיזת עצם תלת-ממדית; הזרוע והקלקאנאוס משמשים כדוגמאות בפרוטוקול הנוכחי.
      הערה: הנחיות מפורטות לנתח דגימות עצם-גיד-שריר עבור בדיקות מכניות מסופקים בשלב 2.1.1. הצעדים הבאים יש לעקוב כדי לבודד את העצמות לצורך יצירת העצם אוחז 3D-מודפס.
      1. חיתוך של הזרוע: המתת חסד לעכבר לכל הליך מאושר IACUC. להסיר את העור הגפיים העליון, להסיר את כל השרירים על הזרוע, לבטל את המרפק ואת המפרקים glenohumeral, ולהסיר בזהירות את כל רקמות החיבור המצורפת הזרוע.
      2. חיתוך של calcaneus: המתת חסד עכבר לכל הליך מאושר IACUC. להסיר את העור הגפיים התחתונות, ביתור גיד אכילס משותף המפרקים בין calcaneus ועצמות רגל אחרים, ולהסיר בזהירות את כל רקמות החיבור המצורפת calcaneus.
    2. לבצע סריקת טומוגרפיה ממוחשבת של העצם כולו, למשל, לסרוק את דגימות הזרוע והקלואוס.
      הערה: בהתאם לסורק שבשימוש, ההגדרות יהיו שונות. עבור הסורק המשמש את המחקר הנוכחי (טבלה של חומרים), ההגדרות המומלצות הן: לסרוק באנרגיה של 55 kvp, מסנן אל 0.25, ברזולוציה של 6 μm.
      1. מערבבים אבקה במים באולטרטהורים ובמיקרוגל עבור 1-3 דקות עד שהאגקם מומס לחלוטין. זה עוזר מיקרוגל עבור 30-45 s, לעצור ומערבולת, ולאחר מכן להמשיך לכיוון הרתיחה. מילוי הקריוצינורות עד שלושה רבעים מלא עם התעורר. תן agarose קריר עבור כ 5-10 דקות.
      2. הוסף עצם לתוך ג'ל הצמח (זה ימנע את הממצאים התנועה במהלך הסריקה). . הכנס קריוצינורית עם עצם לסורק
        הערה: עבור הסורק המשמש במחקר הנוכחי, מחליף לדוגמה 16 מיקום אוטומטי שימש עבור כל הסריקות. לסורק זה יש אפשרות לבחור באופן אוטומטי הגדלה בהתאם לגודל ולצורה של מדגם.
    3. בנייה משחזר טומוגרפיה ממוחשבת לסרוק תמונות הקרנה לתמונות בחתך הרוחב. השתמש בפרמטרים המומלצים עבור שילוב הסורק/התוכנה של הנסניסה.
      הערה: עבור התוכנית המשמשת את המחקר הנוכחי (טבלה של חומרים) מומלץ להשתמש בפרמטרים הבאים שחזור: החלקה: 0-2, תיקון התקשות קרן: 45, הפחתת טבעת הפחתה: 4-9 ולשחזר פרוסות ב 16-bit TIFF תבנית.
    4. ליצור דגם תלת-ממד ולשמור לתוך פורמט STL רגיל תואם עם רוב מדפסות 3D ואבי טיפוס מהיר. עבור התוכנית המשמשת במחקר הנוכחי (טבלת חומרים), בצע את הפעולות הבאות:
      1. בחר בקובץ הפקודה > פתוח כדי לפתוח את ערכת הנתונים של הקובץ. פתח את קובץ הדו > העדפות ובחר בכרטיסיה מתקדם .
      2. השתמש באלגוריתם עיבוד אדפטיבי לבניית דגמי תלת-ממד. אלגוריתם זה ממזער את מספר משולשים היבט ומספק פירוט שטח חלק יותר. השתמש ב-10 כפרמטר היישוב; פרמטר זה מגדיר את המרחק בפיקסלים לנקודה השכנה המשמשת למציאת גבול האובייקט. מזער את העמידות ל-0.1 כדי להקטין את גודל הקובץ.
        הערה: לאחר פתיחת ערכת הנתונים, התמונות מוצגות בעמוד "תמונות Raw".
      3. כדי לציין את נפח הריבית (VOI), בחר ידנית שתי תמונות שהוגדרו כחלק העליון והתחתון של טווח ה-VOI שנבחר.
      4. מעבר אל העמוד השני, אזור הריבית. בחר באופן ידני את אזור הריבית בתמונה בחתך בודד.
        הערה: האזור שנבחר יסומן באדום (כלומר, באזור הזרוע הצולבת).
      5. חזור על השלב הקודם בכל 10 עד 15 תמונות בחתך הרוחב.
      6. מעבר אל הקטע הבינארישל העמוד השלישי. בתפריט היסטוגרמה, לחץ על מתוך ערכת נתונים. התפלגות ההיסטוגרמה של בהירות מכל התמונות של ערכת הנתונים תוצג. גם בתפריט ' היסטוגרמה ', לחצו על התפריט ' צור קובץ דגם תלת-ממד '.
    5. שמור דגם תלת-ממד של העצם בתבנית קובץ STL.
    6. מקד את רשת השינוי: לטפל ברשת כדי להקטין את הגודל של קובץ STL ולהפוך אותו תואם עם כל מידול מוצק תוכנית עיצוב בעזרת מחשב. עבור התוכנית המשמשת במחקר הנוכחי (טבלת חומרים), בצע את השלבים הבאים:
      1. יבא רשת שינוי ובחר הכל כדי לערוך. בחרו ' הקטן ' מעריכתערכת הכלים. לאחר מכן, בחר באפשרות תקציב משולש מערכת הכלים הפחת יעד. הפחת את הספירה התלת-ממדי וקבל שינויים. שמור שוב את הקובץ החדש מופחת בפורמט STL על ידי בחירת ייצוא כמו...
  2. עיצוב של גופי העצם בהתאמה אישית
    1. גיד של סופראספיאטוס-עצם מפרק
      1. השתמש מידול מוצק תוכנית עיצוב בעזרת מחשב כדי ליצור מודל מותאם אישית של הזרוע מרתק מתקן (איור 1, משלים קבצים).
        הערה: התוכנית המשמשת במחקר הנוכחי מפורטת ברשימת החומרים.
      2. פתח את קובץ בפורמט STL של עצם הזרוע בתוכנית דוגמנות מוצק ולשמור כקובץ חלק.
        הערה: עבור התוכנה הנמצאת בשימוש במחקר הנוכחי (טבלה של חומרים), עצם העצם 3d נשמר בפורמט SLDPRT.
      3. פתח את קובץ החלק וליצור באופן ידני שלושה מטוסים רלוונטיים אנטומית (כלומר, משונן, coronal, רוחבי).
        1. הגדירו באופן ידני את המישור המשונן כדי לחתוך את החלק החזק של גיד סופראספיאטוס בעזרת היותר ממנו. ודא שבלוק התלת-ממד מכיל את המישור המשונן כמישור של סימטריה. כדי להשיג זאת, להוסיף או לגזור חומר מהבלוק אם יש צורך.
          הערה: מישור זה של סימטריה מבטיח כי כאשר הדגימה מוכנס לתוך האביזרים גיד וגידים המצורף ממוקמים בציר המרכזי של הגוף הקבוע.
      4. מדידת מידות של העצם לאורך כל אחד משלושת המישורים (כלומר, גובה, רוחב, אורך).
      5. למדוד את הממדים של תפסי בדיקה מכנית שבו מתקן 3D מודפס יהיה מצורף.
      6. התחל על ידי עיצוב חלק בלוק מוצק (למשל, גליל מלא).
        1. ודא שכל ממד של הבלוק הוא לפחות 5 מ"מ גדול מממדי הזרוע.
        2. חשבון עבור אילוצי עיצוב של תפסי בדיקה מכנית (כלומר, להבטיח כי מתקן מודפס 3D יכול להיות מורכב ומפורק באופן חופשי בדיקה מכנית אוחז).
      7. צור מודל הרכבה עם שני רכיבים: הבלוק המלא, או עצם הזרוע הימנית או השמאלית. להגדיר את כיוון העצם בתוך הבלוק (כלומר, את הזווית בין גיד ועצם). ודא שעוצמת העצם כולה מתאימה לתוך הבלוק.
      8. ליצור חלל בבלוק באמצעות עצם הזרוע כמו העובש. אם השימוש בתוכנה המצוינת בטבלת החומרים, בצע את השלבים הבאים:
        1. הכנס את חלק העיצוב (הזרוע) ואת בסיס העובש (בלוק גליל) לתוך הרכבת ביניים. בחלון ההרכבה, בחר בבלוק ולחץ על עריכת רכיב מסרגל הכלים של ההרכבה .
        2. לחץ על הוסף > תכונות > חלל. בחרו ' קנה מידה אחיד ' והזינו 0% כערך לשינוי גודל בכל הכיוונים.
      9. העלם את חלק העצם ושמור את ההרכבה כחלק.
      10. חלק פתוח (גליל עם חלל). חותכים את החלק לאורך המישור המשונן כדי ליצור שני רכיבים סימטריים המתאימים לעצם הזמן והפוטיות (למשל, שני חצאי צילינדרים, כפי שנראה באיור 1).
        הערה: שני מרכיבים מתוכננים ומתאימים לעצם בעלי העצמות. המרכיב הקדמי כולל מחצית החלל בצורת כדורית המורחבת מהצד הקדמי של הראש המפרק עד מצורף גיד הרום קוצי. חלל המרכיב האחורי מעוצב כמו החלק האחורי של הזרוע (כלומר, הצד האחורי של הראש המפרק, הדלופנים האלה, והאסכולה המדיאומטרית והאפילאני הצדדי).
      11. שמור כל רכיב כחלק קובץ נפרד.
      12. עבור הרכיב הקדמי, ודא שהראש המפרק מוטבע בחלל החלק על-ידי הגדרת טולרנסים מתאימה.
        הערה: במחקר הנוכחי, באמצעות התוכנה המצוינת בטבלת חומרים, הוא הציע לבצע את השלבים הבאים:
        1. ליצור חתך לחתוך להחליק את הגיאומטריה של רשת החלל. צור סקיצה לחתך על-ידי חיקוי הגיאומטריה של החלל והוספת סיווג locational.
          הערה: הסיווג מאפשר הרכבה חופשית ופירוק בין העצם לבין המרכיב הקדמי.
      13. שנה את הרכיב האחורי כדי לחקות את גיאומטריית החלל כדי ליצור חתך המוסיף סיווג, כמתואר לעיל עבור הרכיב הקדמי.
      14. בצע חתך במישור הרוחבי החל מראש הרכיב האחורי עד לנקודת השיא של הכלי הגבוה יותר/נמוך יותר.
        הערה: כפי שנראה באיור 1 ובאיור 2, הרכיב האחורי כולל חתך שיוצר פתיחה בקובץ המצורף לגיד.
      15. צור התאמה מתאימה בין שני הרכיבים כדי לאפשר הרכבה ופירוק בחינם.
        הערה: חור פיר התאמה עם הרשאה ריצה רופף נוצר עבור גופי במחקר הנוכחי.
      16. יצירת מודלים תלת-ממדיים עבור כל אחד מהרכיבים של הרכיב המתאים לאיבר המנוגד (כלומר, שמאלה או ימינה).
      17. הוסף חרוט בתחתית האביזרים כדי להבחין בין הצד השמאלי והימני.
      18. שמור את כל החלקים הקבועה בתבנית קובץ סטנדרטי STL לקראת הדפסת תלת-ממד.
    2. גיד אכילס-עצמות כנריות
      1. בצע את אותם צעדים כפי שמתואר לעיל עבור מתקן הראש supraspinatus.
        הערה: רק מערכת אחת של גופי הכרחי עבור אכילס-calcaneal מאז האנטומיה של עצמות calcaneal שמאל וימין הוא כמעט סימטרי.

2. בדיקות ביומכנית של גידים מורניים

  1. הכנה לדגימה ומדידת שטח בחתך הרוחב
    1. לנתח את גיד השריר-עצם העניין לקראת בדיקות מכני מתיחה. במחקר הנוכחי, הרום קוצי גיד השריר-העצם הזרוע דגימות (N = 10, 5 זכר, 5 נקבה) ו השריר הגקטמיאוס-גיד אכילס-בעצם דגימות עצמות (N = 12, 6 זכר, 6 נקבה) היו מבודדים 8 בשבוע הישן C57BL/6j עכברים.
      1. חיתוך עצמות השריר-גיד השרירים-עצם הזרוע
        1. המתת חסד של עכבר לכל הליך מאושר IACUC. הצב את העכבר במצב נוטה. לחתוך את העור ממעל המרפק של כף הרגל לכיוון הכתף.
        2. הסירו בזהירות את העור באמצעות חיתוך קהה, כך שהשרירים של הכתף יהיו גלויים לעין. הסר את הרקמה המקיפה את הזרוע עד העצם חשוף ניתן להחזיק מאובטח עם מלקחיים.
        3. להחזיק את הזרוע עם מלקחיים ובזהירות להסיר את השרירים ואת הטרפז כדי לחשוף את קשת coracoacromial. ולהפריד בזהירות את הבריח. מהאקרויון עם להב האזמל
        4. מטפלת לא לפגוע גיד הסופראספיאטוס ואת ההחזקה הגרמית שלה, להסיר את השריר מתוך ההחזקה השכמה שלו באמצעות להב אזמל. הטיפול לא לפגוע גיד הסופראספיאטוס ואת ההחזקה הגרמית שלה, לנתק את הראש מפרק מן glenoid; בעזרת להב האזמל, הוצא את הקפסולה המשותפת ואת התשתיות, את הגלימה ואת הגידים הקטנים.
        5. להפריד את עצם הזרוע. מהאולנה והרדיוס לבודד את הזרוע-הרום קוצי ריר גיד השריר ולנקות רקמות רכות עודף על הזרוע ואת הראש מפרק.
      2. חיתוך גיד אכילס-מדגם עצם
        1. המתת חסד של עכבר לכל הליך מאושר IACUC. הצב את העכבר במצב נוטה. הטיפול לא לפגוע גיד אכילס וההחזקה הגרמית שלה, להסיר את העור עם חיתוך קהה כך את השרירים סביב הקרסול ואת המפרקים בברך נחשף.
        2. באמצעות להב האזמל, החל את הקשר גיד אכילס-calcaneus מצורף, לנתק בזהירות את השריר הגקטנמיוס מן ההחזקות האבובית שלה.
        3. בזהירות לשלול את הקלקאוס מהעצמות השונות הסמוכות. לבודד את גיד אכילס-calcaneus הדגימה ולנקות את עודף רקמות רכות.
    2. לקבוע את האזור חתך החתך של גיד באמצעות טומוגרפיה מיקרומחושבת.
      הערה: עבור הסורק המשמש את המחקר הנוכחי (טבלה של חומרים), ההגדרות המומלצות הן: לסרוק באנרגיה של 55 kvp, מסנן אל 0.25, ברזולוציה של 5 μm.
      1. מערבבים אבקה במים באולטרטהורים ובמיקרוגל עבור 1-3 דקות עד שהאגקם מומס לחלוטין. זה עוזר מיקרוגל עבור 30-45 s, לעצור ומערבולת, ולאחר מכן להמשיך לכיוון הרתיחה. מילוי הקריוצינורות עד שלושה רבעים מלא עם התעורר. תן agarose קריר עבור כ 5-10 דקות.
      2. להשעות את הדגימה בקריוצינור על ידי הוספת העצם הפוך.
        הערה: רק העצם צריכה להיות ג'ל הצמח. הגיד והשריר צריכים. להיות מושעים בחוץ
    3. לאחר הסריקה, להסיר בעדינות את השריר מגיד באמצעות להב האזמל. הכנס את הדגימה לתוך מתקן מודפס תלת-ממדי.
      הערה: אוחז ניתנים לשימוש חוזר עבור כל בדיקה. אין להשתמש בדבק או באפוקסי בגוף הקבוע; העצם מוחזקת בהתאמה לעיתונות.
    4. הכנס והדבק את הגיד בין נייר טישו דק מקופל (2 ס מ x 1 ס מ) והצמד את המבנה באמצעות אוחז בסרט דק. לצרף את מתקן 3D מודפס עם הדגימה לתוך אוחז בדיקה.
    5. הכנס את המדגם ואת האוחז לתוך אמבט בדיקה של פוספט מתכלה באגירה (PBS) ב 37 ° צ' (כלומר, גוף העכבר בטמפרטורת23).
  2. בדיקות מתיחה
    1. לבצע בדיקה מכנית מתיחה על מסגרת בדיקה חומר.
      הערה: עבור מסגרת הבדיקה המשמשת במחקר הנוכחי (טבלת חומרים), הפרוטוקול המומלץ הוא:
      1. הגדירו את אורך המידה כמרחק מהאביזר העילי לאחיזה העליונה.
      2. תנאי מקדים עם 5 מחזורים בין 0.05 N ו-0.2 N.
      3. . המתיני ל-120 ס
      4. השתמש במתח לכישלון של 0.2%/s.
    2. לאסוף נתונים לדפורמציה.
    3. לחשב את הנבג כמו העקירה ביחס לאורך מד הראשונית של הגיד.
    4. לחשב את הלחץ ככוח לחלק על ידי האזור גיד הראשי החוצה החתך (כפי שנמדד microCT).
    5. אם אתה מתעניין התנהגות גמישה, לבצע הרפיה לחץ לפני בדיקת המתח לכישלון ולהשתמש בנתונים כדי לחשב פרמטרים כגון A, B, C, tau1, ו tau2 מתוך מודל גמיש לקוי מדגם24.
    6. מעקומת דפורמציה עומס, לחשב את הנוקשות (מדרון של חלק ליניארי של עיקול), את הכוח המקסימלי, ואת העבודה כדי להניב (האזור מתחת לעיקול עד כוח התשואה).
      1. זהה את החלק הליניארי על-ידי בחירת חלון נקודות בעקומת דפורמציה העומס המגדילה את ערך ה-R2 עבור רגרסיה לפחות משבצות ליניארית25.
      2. לקבוע את הנוקשות כשיפוע של החלק הליניארי של עקומת העומס מטען25,26.
    7. מתוך עקומת מתח המתח, לחשב את מודולוס (מדרון של חלק ליניארי של עיקול), את הכוח (מקסימום לחץ), ואת החוסן (שטח תחת עקומת עד לעלות המתח).
      הערה: שימוש באלגוריתם בראנאק, זן התשואה (ערך x) מוגדר כנקודה הראשונה כאשר y-fit חרג יותר מ-0.5% מערך המתח הצפוי (ערך y). מתח תשואה הוא ערך-y המתאים של זן התשואה.
      הערה: בנוסף מתיחה מונטוני העמסה על כישלון המתואר במחקר הנוכחי, טעינה מחזורית יכול לספק מידע חשוב על עייפות גיד ו/או מאפיינים אלסטיים. לדוגמה, פרידמן ואח ' דיווחו על תכונות עייפות של גידים אכילס מורלין27.
    8. לאחר סיום בדיקות מתיחה, לבצע סריקת טומוגרפיה מיקרוגרפית של העצם כולו, למשל, לסרוק את דגימות הזרוע ואת calcaneus.
      הערה: עבור הסורק המשמש את המחקר הנוכחי (טבלה של חומרים), ההגדרות המומלצות הן: לסרוק באנרגיה של 55 kvp, מסנן אל 0.25, ברזולוציה של 6 μm.
      1. חזור על שלבים 1.1.2.1 – 1.1.2.2.
    9. חזור על שלב ה1.1.3.
    10. השתמש בתוכנית הדמיה תלת-ממדית תואמת לסורק כדי ליצור דגם תלת-ממד של האובייקט הסרוק את אמצעי האחסון.
      הערה: התוכנית המשמשת במחקר הנוכחי מפורטת ברשימת החומרים.
    11. קבע את מצב הכשל ואזור האתר כישלון על-ידי בדיקת האובייקט התלת-ממדי.
  3. ניתוח סטטיסטי: להראות את כל תוצאות המדגם כממוצע ± סטנדרטי (SD). בצע השוואות בין קבוצות המשתמשות במבחני t של סטודנט (דו-זנבי ובלתי-מזווג). הגדר משמעות כ- p < 0.05.
    הערה: התוכנה הסטטיסטית המשמשת במחקר הנוכחי מפורטת ברשימת החומרים.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

3D-מודפס גופי שימשו כדי לבחון 8 שבועות מורטין supraspinסוטוס וגידים אכילס. כל הדגימות שנבדקו מכנית נכשלו בתזה, כפי שמאופיינת סריקות microCT, בדיקה חזותית, ניתוח וידאו לאחר בדיקות מתיחה. אחד-לאחד השוואה של השיטות הקודמות והנוכחיות עבור בדיקות גיד של הרום קוצי במעבדה שלנו מוצג באיור 3. בשיטה הקודמת28,29,30, עצם הזרוע היה מוטבע באפוקסי ואטב נייר הוצב מעל הראש מפרק במאמץ למנוע שבר לוחית הצמיחה. 4-6 שעות היו נחוצים כדי לאפשר את האפוקסי כדי לרפא באופן מלא (איור 3), המאפשר רק 6-8 דגימות להיבדק ביום טיפוסי. מגבלה נוספת של הגישה היתה האפקטיביות תלוי המשתמש של מיקום מהדק נייר למניעת שבר לוחית הצמיחה. תוצאות הבדיקות המשתמשות בשיטות קודמות אלה היו מאוד משתנות, עם מקדמים של וריאציה על סדר של 30% עבור רוב הפרמטרים ואת לוחית הצמיחה שיעורי כישלון של כ 10% – 20%. כפי שסוכם באיור 3, זמן הכנת הדגימה בשיטות החדשות ירד ל-5 – 10 דקות, והופך אותו למעשי לבדיקת 16 – 20 דגימות ליום. יתר על כן, לוחית הצמיחה כישלונות חוסלו.

בהשוואה למתודולוגיה שדווחו על ידי אחרים עבור בדיקות גידים מורנה14,15,17,25,28,29,30,31 ,32,33, השיטות החדשות היו יותר יעיל ומיותר. עבור הגידים הרום קוצי נכסים מבניים כגון עומס מרבי (3.8 ± 0.6 n) ונוקשות (12.7 ± 1.8 N/mm), כמו גם תכונות חומרים מנורמל כגון מתח מקסימלי (8.7 ± 3.0 mpa), ו מודולוס (51.7 ± 13.5 mpa) היה מקדמי נמוך במידה ניכרת של וריאציות לעומת תוצאות הספרות (שולחן 1). עבור גיד אכילס, תכונות מכניות כגון עומס מירבי (7.8 ± 1.1 n) ו נוקשות (13.2 ± 1.9 N/mm) היו מקדמים נמוכים יותר של וריאציות לעומת תוצאות הספרות19,21,22 ,32,33,34,35,36,37,38, בעוד מקסימום מתח (24.2 ± 5.4 MPa) ו מודולוס (73.2 ± 22.1 MPa) היו מקדמים של וריאציות דומות לאלה שדווחו בספרות (שולחן 2).

למין בעלי חיים הייתה השפעה משמעותית על התכונות המכאניות של הסופראספיאטוס וגידים אכילס (איור 4). כאשר השוואת הגידים זכר ונקבה הגיד, היו עליות משמעותיות כוח מקסימלי (p = 0.002) ולעבוד לתשואה (p = 0.008). היו מגמות בין שתי הקבוצות עבור נוקשות (p = 0.057), מתח (p = 0.068), מודולוס (p = 0.061) וחוסן (p = 0.078). בעת השוואת גברים ונשים גידים אכילס, היו עליות משמעותיות לחץ מרבי (p = 0.0006) וחוסן (p = 0.0019). היו מגמות בין שתי הקבוצות עבור עבודה לתשואה (p = 0.079), ו מודולוס (p = 0.074) ואין הבדל כוח מירבי (p = 0.1880) ו נוקשות (p = 0.6759).

Figure 1
איור 1: מודלים תלת-ממדיים של מתקנים עבור הזרוע (השורה העליונה) ו calcaneus (בשורה התחתונה). (A) 3d מודלים של העצמות. (ב) מודלים מפורקים של האביזרים. (ג) התאספו דגמים של האביזרים. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 2
איור 2: הנציג 3D מודפס אביזרים. (א) מתקן לבדיקת ביו-מכניקה של גידים של סופראספיאטוס של עכברים בני 8 שבועות בזווית של 180 ° שבין גיד הזרוע והגידים של סופראספיאטוס. (ב) מתקן לבדיקת ביו-מכניקה של גידים של סופראספיאטוס של עכברים בני 8 שבועות בזווית של 135 ° שבין גיד הזרוע והגידים של סופראספיאטוס. (ג) מתקן עבור בדיקות ביו-מאומכנית של גידים אכילס murine בזווית של 120 ° בין calcaneus גיד אכילס. (ד) מתקן לבדיקת ביו-מכניקה של גידים של סופראספיאטוס של למבוגרים בלבד בחולדות של הג בג בזווית של 180 ° בין הזרוע והגיד של סופראספיאטוס. סרגל קנה מידה: 5 מ"מ. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 3
איור 3: השוואת השיטות הקודמות והנוכחיות לבדיקות מכניות של הגידים של מורטין סופראספיאטוס. (א) הכנה הדגימה הקודם שיטות המשמשות במעבדה שלנו לפני בדיקות מכניות: הזרוע היה פוטאד באפוקסי עד הראש מפרק כדי לייצב את העצם, קליפ נייר הוצב מעל הראש מפרק כדי למנוע שבר לוחית הצמיחה, ו, כדי לרפא את האפוקסי, הדגימות נותרו בטמפרטורת החדר במשך 4-6 שעות לפני בדיקות מכניות. (ב) שיטות הכנה לדגימה המשמשות במחקר הנוכחי (שלבים 1.2 ו 2.1.4): למעלה משמאל מראה ייצוג תלת-ממד של האביזרים כפי שיוצרו על ידי תוכנית דוגמנות מוצק. גופי ההדפסה התלת-ממדיים ניתנים לשימוש חוזר ומקובצים בקלות ומפורקים. סוף העצם של הדגימה מוכנס לתוך גופי, אבטחת לוחית הצמיחה וחשיפת גיד לאחיזת ובדיקות. קצה הגיד מודבק בין נייר מקופל לרקמה דקה ומוכנס לתוך אוחז. זמן ההכנה לכל דגימה הוא 10 – 15 דקות. (ג) מטען לטעון-עיוות לבדיקות מתיחה של גיד סופראספיאטוס באמצעות שיטות נוכחיות. (ד) לטעון את המטען מדפורמציה עבור בדיקות מתיחה של גיד הרום קוצי מראה לוחית הצמיחה כשל. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 4
איור 4: השפעת המין על התכונות המכאניות של הגידים של סופראספיאטוס (SST) ואכילס (ACHT). היתה השפעה משמעותית של המין על רבים של תכונות מכניות מבוסס על בדיקות t בלתי מזווג (* אפקט המין, p < 0.05). נתונים המוצגים כממוצע ± סטיית תקן. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 5
איור 5: מדידת שטח בחתך ממיקרו-ct. (א) מדידה מינימלית באזורהחתך לאורך גיד סופראספיאטוס. (ב) מינימום חתך מינימלי באזור מדידה לאורך גיד אכילס. יש לבחור רק גיד ראוי למדידה. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

נכסים מבניים מאפייני חומרים
חיות מקס פורס (N) נוקשות (N/mm) מאמץ מרבי (Mpa) מודולוס (MPa)
מחבר N רקע ממוצע ± SD COV (%) ממוצע ± SD COV (%) ממוצע ± SD COV (%) ממוצע ± SD COV (%)
בשנת ואח ' כתב העת לכירורגיה ומרפק (2013)15 10 C57Bl/6 0.93 ± 0.34 36.56 95.1 ± 39.8 † 41.85 3.40 ± 1.56 45.88 312.8 ± 127.0 40.60
בל ואח ' יומן מחקר אורטופדיים (2014)31 6 C57Bl/6 1.22 ± 0.52 42.62 2.37 ± 1.6 67.51 ע נ ע נ
קונג ואח אל כתב העת למחקר אורטופדי (2018)17 8 C57Bl/6 5.38 ± 2.404 # 44.68 4.25 ± 1.67 # 39.29 ע נ ע נ
הנדאצו ואח ' תולדות ההנדסה הביו-רפואית (2014)32 10 ע"נ (db/+) ע נ 84.44 ± 27.23 * † 32.25 ע נ 476 ± 186.27 * 39.13
הנדאצו ואח ' כתב העת להנדסה ביו-רפואית (2013)14 ע נ C57/BL6 ע נ ע נ ע נ 297 ± 148.90 * 50.13
דיימייר אל- אקטה ביואריליה (2019)28 12 מיטת עכבר 1 (WT) 5.0 ± 0.7 14 9.2 ± 2.9 31.52 33 ± 35 106.06 ע נ
ט. ו. כתב העת להנדסה ביו-רפואית (2017)33 13 Eln +/+ ע נ 8.50 ± 2.95 34.71 5.96 ± 3.23 54.19 101.2 ± 50.8 50.20
כתב עת לגבי קיללן ואח ' (2016)29 8 C57BL/6 ע נ ע נ 7.79 ± 2.61 * 33.50 58.32 ± 31.73 * 54.41
שוורץ ואח ' עצם (2014)25 20 מיטת עכבר 1 (WT) 4.11 ± 0.79 * 19.22 8.58 ± 3.78 * 44.06 12.29 ± 5.95 * 48.41 133.80 ± 59.41 * 44.40
שוורץ ואח ' פיתוח (2015)30 12 (Gli1 x-CreERT2) הפעל את ScxCre מעשנים/חליל (WT) 4.16 ± 0.29 * 6.97 11.04 ± 1.98 * 17.93 26.24 ± 5.81 22.14 121.89 ± 44.18 36.25
ממוצע COV 27.34 ממוצע COV 38.64 ממוצע COV 51.70 ממוצע COV 45.02
שיטה חדשה 10 C57BL/6J 3.79 ± 0.62 16.41 12.73 ± 1.81 14.20 8.71 ± 3.04 34.91 51.67 ± 13.54 26.20

טבלה 1: תכונות מכניות של גידים של סופראספיאטוס. ממוצע ± SD ומקדם של וריאציה (COV) עבור תכונות מבניות וחומרים מוערך באמצעות שיטות חדשות לעומת אלה שדווחו בספרות. [עלון נאט ו: לא דווח, * מוערך מהאיור (ים) , סטיית תקן שחושבה משגיאת תקן שדווחה, דפורמציה שנמדדה באמצעות קווי הכתמים האופטיים].

נכסים מבניים מאפייני חומרים
חיות מקס פורס (N) נוקשות (N/mm) מאמץ מרבי (Mpa) מודולוס של יאנג (MPa)
מחבר N רקע ממוצע ± SD COV (%) ממוצע ± SD COV (%) ממוצע ± SD COV (%) ממוצע ± SD COV (%)
בויבין ואח '. יומן השרירים, הרצועות והגידים (2014)19 6 עכברים שליטה רזה שאינם סוכרתית 8.1 ± 0.6 7.41 3.9 ± 0.7 17.95 ע נ 16 ± 3.7 23.13
הנדאצו ואח ' תולדות ההנדסה הביו-רפואית (2014)32 10 db/+ ע נ 20.39 ± 2.43 * 11.92 ע נ 152.94 ± 44.12 * 28.85
ט. ל. יומן הנדסת ביומכנית (2017)33 8 Eln +/+ ע נ 18.86 ± 3.37 17.87 10.55 ± 2.97 28.15 443.8 ± 131.7 29.68
מיקמית ואח ' יומן מחקר אורטופדיים (2006)34 20 C57BL/6-J x 129SV/J ע נ ע נ 18 ± 5 27.78 61 ± 20 32.79
פרוסט ואח ' יומן לכירורגיה חקירתית (2000)22 20 בלבי/ג 8.4 ± 1.1 13.10 6.3 ± 1.2 19.05 ע נ ע נ
שו ואח ' עמית ג'יי (2018)21 9 C57BL/6 9.6 ± 3.84 39.96 8.19 ± 3.63 44.32 27.55 ± 10.54 38.26 ע נ
סיקס ואח ' כתב העת למחקר אורטופדיים (2018)35 7 C57BL/6 ע נ ע נ 19.53 ± 7.03 0.36 62.82 ± 20.20 32.16
וואנג ואח ' כתב העת למחקר אורטופדיים (2006)36 9 מיכל בע 8.4 ± 1.2 14.29 12.2 ± 2.8 22.95 78.2 ± 8.6 11.00 713.9 ± 203.7 28.53
וואנג ואח ' כתב העת למחקר אורטופדיים (2006)36 8 C57BL/6J 10.2 ± 1.4 13.73 13.1 ± 2.5 19.08 97.4 ± 11.4 11.70 765.1 ± 179.6 23.47
וואנג ואח ' כתב העת למחקר אורטופדיים (2006)36 7 C3H/HeJ 12.5 ± 1.7 13.60 14.1 ± 3.2 22.70 97.5 ± 10.9 11.18 708.6 ± 127.8 18.04
וואנג ואח ' כתב העת למחקר אורטופדיים (2011)37 7 C57BL/6 6.6 ± 1.7 25.76 8.2 ± 1.4 17.07 13.4 ± 3.7 27.61 86.8 ± 15.5 17.86
ג'אנג ואח ' מטריקס ביולוגיה (2016)38 ע נ CD-1 ו-C57BL/6J 6.73 ± 3.74 * 55.57 12.03 ± 3.34 * 27.76 25.4 ± 15.14 * 59.61 632.31 ± 113.79 * 18.00
ממוצע COV 22.93 ממוצע COV 22.07 ממוצע COV 23.96 ממוצע COV 25.25
שיטה חדשה 12 C57BL/6J 7.8 ± 1.08 13.91 13.19 ± 1.86 14.08 24.16 ± 5.42 22.45 73.17 ± 16.14 22.06

שולחן 2: תכונות מכניות של גידים אכילס. ממוצע ± SD ו COV עבור תכונות מבניות וחומרים מוערך באמצעות שיטות חדשות לעומת אלה שדווחו בספרות. [עלון נאט ו: לא דווח, * מוערך מהאיור (ים) , סטיית התקן מחושבת משגיאה סטנדרטית שדווחה].

קבצים משלימים. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה. 

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

מודלים בעלי חיים מוריין משמשים בדרך כלל כדי ללמוד הפרעות גיד, אבל האפיון של תכונות מכניות שלהם הוא מאתגר נדיר בספרות. מטרת פרוטוקול זה היא לתאר שיטה יעילה ומתוכעת לבדיקת מתיחה של גידים מורקיים. השיטות החדשות הפחיתו את הזמן הנדרש לבדיקת מדגם משעות לדקות ובוטלו חפץ מרתק גדול שהיה בעיה נפוצה בשיטות קודמות.

מספר שלבים המתוארים בפרוטוקול זה הם קריטיים כדי לייצר אביזרים יעילים בדיקה מכנית מורנין הרום קוצי וגידים אכילס. ראשית, שלב 1.1.4 הוא הכרחי כדי ליצור דגם תלת-ממד של העצם הרצויה; עם זאת, עקב רזולוציה גבוהה בדרך כלל המשמשת לסריקה זו, גודל הקובץ עשוי להיות גדול מדי לשימוש עם תוכניות מידול מוצק. התוכנה המשמשת בפרוטוקול זה הקטינה בהצלחה את גודל הקובץ (שלב 1.1.6) והוא נשמר הגיאומטריה של האובייקט, למרות תוכנות אחרות יכול להיות גם יעיל כדי להשיג את זה. שנית, כל אתר אנטומיים יש קריטריון עיצוב ספציפי לשקול מרתק יעיל. עבור העיצוב של מתקן גיד הרום קוצי, זה קריטי: (אני) לאבטח את הראש מפרק כדי למנוע כשל לוחית הצמיחה (שלב 1.2.1.12), (ii) להגדיר התאמה לסיווג המונע מנתק של עצם הזרוע מן העובש במהלך בדיקה (שלב 1.2.1.12.1) ו (iii) האוריינט עצם הזרוע כדי ליצור זווית 180 ° עם ציר ארוך של גיד (שלב 1.2.1.7). עבור העיצוב הקבוע של גיד אכילס, זה קריטי: (אני) להגדיר התאמה הסיווג כי תופס את העצם calcaneus קטן מבלי לחמוק מן מתקן במהלך בדיקה ו (ii) המזרח עצם calcaneus ליצור זווית 120 ° (30 מעלות plantar) עם הציר הארוך של הגיד. שלישית, מדידה מדויקת של האזור הצלב גיד (שלב 2.1.2) הוא קריטי כדי לחשב כראוי לחץ הנדסי לקביעת תכונות החומר. כדי למדוד את האזור החתך של גיד הרום קוצי אנו ממליצים על סריקות טומוגרפיה microcomputed של העצם-גיד שרירים הדגימה מושעה בתוך קריוצינור עם תחתית שטוח, עם העצם מוחזק הפוך בתוך הצינור עם agarose. רק עצם הזרוע צריך להיות מוכנס לתוך ג'ל agarose, בעוד ראש מפרק עם גיד ושריר מוצמד צריך להיות נסרק באוויר. כמו גיד הרום קוצי יש גאומטריה מסולרת כפי שהוא מוסיף לעצם, הדרך העקבית ביותר כדי למדוד את האזור החוצה החתך הוא לקבוע את האזור חתך מינימלי לאורך הגיד. הליך דומה צריך להיות בעקבותיו כדי למדוד את האזור חתך הרוחב של גיד אכילס. עבור גיד אכילס, ברזולוציה גבוהה מיקרו סריקות טומוגרפיה לחשוף שתי רקמות נפרדות: גיד הנכון ואת הנדן המקיף, אשר מופיע כגוון בהיר יותר. כדי להעריך בעקביות את האזור חתך מינימלי של גיד אכילס, רק גיד ראוי להיבחר למדידה (איור 5). לבסוף, אוחז הם לשימוש חוזר וריאציות קטנות ממדגם למדגם לא משפיעים על האפקטיביות שלהם. כל עצם יש לסרוק פעם אחת (למשל, עבור המחקר הנוכחי, הזרוע השמאלית, הזרוע הימנית, ו calcaneus) ומודל 3D אחד צריך להיווצר עבור כל עצם. בנוסף, עבור בעלי חיים באותו גיל, הגיאומטריה העצם הוא כמעט זהה, ולכן אותו מתקן יכול לשמש לבדיקות של כל הדגימות. בכתב יד זה, 3D אביזרי מודפס ספציפיים עכברים בן 8 שבועות (skeletally בוגרים בוגרים) שימשו לבדיקת גידים. לא היה צורך ליצור מנות נפרדות לגברים ולנשים. לקבוצות גיל אחרים (למשל, עכברים בן 4 שבועות) או עכברים עם פנוטיפים עצם ייחודי, מומלץ כי גופי המתאימים הגיאומטריות המסוים של העצמות מיוצרים.

לאחר עיצוב והדפסה 3d של גופי, כדי להבטיח את הגישה והיעילות של שיטה, 10 דגימות גיד מעכברים של אותו רקע וגיל של המחקר המתוכנן צריך בדרך כלל להיבדק (גודל המדגם המדויק עשוי להשתנות בהתאם לרקמה ו דגם בעל חיים). יש לקבוע את התכונות המכאניות של הגידים הללו כדי להבטיח שמקדמים וריאציה של מאפיינים מבניים וחומריים נמצאים בטווח הצפוי, כמתואר בטבלה 1 ובטבלה 2. בדיקות הפיילוט הללו אמורות גם לאשר כי הכשלים העובדתיים (למשל, כישלון בהצלחת הצמיחה) אינם מתרחשים. מחזורי עיצוב, אבי-טיפוס ואימות עשויים להיות נחוצים כדי להשיג את התוצאות הרצויות עבור הגידים מלבד הסופראספיאטוס וגידים אכילס המתוארים בעיתון הנוכחי.

מספר קבוצות דיווחו על תכונות מכניות של גידים מוראניים. מקדם הווריאציות במחקרים אלה הוא בדרך כלל גבוה, לעתים קרובות קשה לקלוט הבדלים בין קבוצות ההשוואה. יתרה מזאת, הבדלים מתודולוגיים ברקמה בקרב המחקרים השונים מקשים על הקביעה אם מאפייני הכישלון רלוונטיים לגיד או עקב כשלים באחיזה העובדתית. כדי להשוות את שיטות הבדיקה החדשות עם המתודולוגיות הקיימות, בוצעה סקירת ספרות והתוצאות מתוך 20 מחקרים הוסוכמים (טבלה 1 ושולחן 2). בספרות, עבור בדיקה מכנית גיד של הרום קוצי המקדמים הממוצע של וריאציה על כוח מקסימלי, נוקשות, מקסימום לחץ, ו מודולוס היו 27%, 39%, 52%, ו 45%, בהתאמה. עבור גיד אכילס בדיקות מכניות, המקדמים הממוצע של וריאציה על כוח מקסימלי, נוקשות, לחץ מרבי, ו מודולוס היו 23%, 22%, 24%, ו -25%, בהתאמה. במחקר הנוכחי, השיטה החדשה לבדיקת הגידים של מורלין הביא ל-32%-63% הפחתה של מקדמי גיד של סופראספיאטוס של וריאציה ו-6%-39% הפחתה במקדמים גיד אכילס של וריאציה.

אין מתודולוגיה סטנדרטית הנוכחית לאחיזת עצמות, ולכן לא ברור עד כמה בעיות מרתק העובדתי השפיעו על תכונות מכניות של גידים מוראניים. רוב הקבוצות לדווח על עצם הזרוע על ידי שימוש בשרף אפוקסי13, פולימתימתיונין (pmma)14,15, או ציאנואקריאקרילי16 ואבטחת הראש מפרק על ידי החלת ציפוי השני של pmma14, שימוש בתקן מותאם אישית39 ו/או הוספת אטב נייר25,28,30. באופן דומה, קבוצות אחרות לדווח מרתק את העצם calcaneus הרבה יותר באמצעות אביזרי מותאם אישית19,20, עיגון על ידי מלחציים21, תיקון עצמית מרפא מלט פלסטיק22 או באמצעות צורת חרוט . חריץ22 עם זאת, שיטות אלה נשארות מוגבלות על-ידי שיעור התוכלות נמוך, שיעורי כישלון ברמה גבוהה, ודרישות הכנה גוזלת זמן. השיטות החדשות שהוצגו במחקר זה בוטלו כישלונות של האחיזה העובדתית ושילשו את מספר הדגימות שניתן לבחון ביום. יתר על כן, שיטות אלה אינן מוגבלות הסופראספיאטוס וגידים אכילס, כפי שהם מותאמים בקלות לבדיקת גידים מורורין אחרים וגידים מדגמי בעלי חיים גדולים יותר. כדי לבדוק את הגידים מבעלי חיים גדולים, עם זאת, מודולוס של החומר המודפס 3D מודפס חייב להיות גבוה מספיק שהוא לא תואם ביחס לחוזק של הגיד נבדק.

מספר מחקרים הראו הבדלים מבוססי מין בהפרעות גיד המציינות כי נשים יש מופחת פונקציה לאחר הטיפול לאחר הפציעה גיד40,41,42. במחקר הנוכחי, למין הייתה השפעה משמעותית על התכונות המכאניות של גידים מוראניים. כפי שמנחה המכון הלאומי לבריאות (NIH), אנו ממליצים על חשבונאות למין כמשתנה ביולוגי בעיצוב המחקר של דגמי בעלי חיים בהם תכונות מכניות גיד יהיה למדוד.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

. למחברים אין מה לגלות

Acknowledgments

המחקר היה נתמך על ידי NIH/NIAMS (R01 AR055580, R01 AR057836).

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Agarose Fisher Scientific BP160-100 Dissovle 1g in 100 ml ultrapure water to make 1% agarose 
Bruker microCT  Bruker BioSpin Corp Skyscan 1272  Used by authors
ElectroForce  TA Instruments 3200 Testing platform
Ethanol 200 Proof Fisher Scientific A4094 Dilute to 70% and use as suggested in protocol
Fixture to attach grips Custom made Used by authors
Kimwipes Kimberly-Clark  S-8115 As suggested in protocol
MicroCT CT-Analyser (Ctan) Bruker BioSpin Corp Used by authors for visualizing and analyzing micro-CT scans 
MilliQ water (Ultrapure water) Millipore Sigma QGARD00R1 (or related purifier) 100 ml 
Meshmixer Autodesk http://www.meshmixer.com/ Free engineering software used by authors to refine mesh
Objet EDEN 260VS  Stratasys LTD Precision Prototyping
Objet Studio Stratasys LTD Used by authors with 3D printer
PBS - Phosphate-Buffered Saline ThermoFisher Scientific 10010031 2.5 L of 10% PBS 
S&T Forceps Fine Science Tools 00108-11 Used by authors
Scalpel Blade - #11 Fine Science Tools 10011-00 Used by authors
Scalpel Handle - #3 Fine Science Tools 10003-12 Used by authors
SkyScan 1272 Bruker BioSpin Corp Used by authors for visualizing and analyzing micro-CT scans 
Skyscan CT-Vox Bruker BioSpin Corp Used by authors for visualizing and analyzing micro-CT scans 
SkyScan NRecon Bruker BioSpin Corp Used by authors for visualizing and analyzing micro-CT scans 
SolidWorks CAD Dassault Systèmes SolidWorks Research Subsription Solid modeling computer-aided design used by authors
SuperGlue Loctite 234790 As suggested in protocol
Testing bath Custom made Used by authors
Thin film grips  Custom made Used by authors
VeroWhitePlus Stratasys LTD NA 3D printing material used by authors
WinTest  WinTest Software Used by authors to collect data

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Girish, N., Ramachandra, K., Arun, G. M., Asha, K. Prevalence of Musculoskeletal Disorders Among Cashew Factory Workers. Archives of Environmental & Occupational Health. 67, 37-42 (2012).
  2. Thomopoulos, S., Parks, W. C., Rifkin, D. B., Derwin, K. A. Mechanisms of tendon injury and repair. Journal of Orthopaedic Research. 33, 832-839 (2016).
  3. Scott, A., Ashe, M. C. Common Tendinopathies in the Upper and Lower Extremities. Current Sports Medicine Reports. 5, 233-241 (2006).
  4. Praemer, A., Furner, S., Rice, D. P. Musculoskeletal Conditions in the United States. American Academy of Orthopaedic Surgeons. , (1992).
  5. Nourissat, G., Berenbaum, F., Duprez, D. Tendon injury: From biology to tendon repair. Nature Reviews Rheumatology. 11, 223-233 (2015).
  6. Galatz, L. M., Ball, C. M., Teefey, S. A., Middleton, W. D., Yamaguchi, K. The outcome and repair integrity of completely arthroscopically repaired large and massive rotator cuff tears. The Journal of Bone and Joint Surgery. 86, 219-224 (2004).
  7. Sher, J. S., Uribe, J. W., Posada, A., Murphy, B. J., Zlatkin, M. B. Abnormal findings on magnetic resonance images of asymptomatic shoulders. The Journal of Bone and Joint Surgery. 77, 10-15 (1995).
  8. Ker, R. F., Wang, X. T., Pike, A. V. Fatigue quality of mammalian tendons. The Journal of Experimental Biology. 203, 1317-1327 (2000).
  9. Wilson, J. J., Best, T. M. Common overuse tendon problems: A review and recommendations for treatment. American Family Physician. 72, 811-818 (2005).
  10. Fleischer, J., et al. Biomechanical strength and failure mechanism of different tubercula refixation methods within the framework of an arthroplasty for shoulder fracture. Orthopaedics & Traumatology: Surgery & Research. 103, 165-169 (2017).
  11. West, J. R., Juncosa, N., Galloway, M. T., Boivin, G. P., Butler, D. L. Characterization of in vivo Achilles tendon forces in rabbits during treadmill locomotion at varying speeds and inclinations. Journal of Biomechanics. 37, 1647-1653 (2004).
  12. Cavinatto, L., et al. Early versus late repair of rotator cuff tears in rats. Journal of Shoulder and Elbow Surgery. 27, 606-613 (2018).
  13. Potter, R., Havlioglu, N., Thomopoulos, S. The developing shoulder has a limited capacity to recover after a short duration of neonatal paralysis. Journal of Biomechanics. 47, 2314-2320 (2014).
  14. Connizzo, B. K., Sarver, J. J., Iozzo, R. V., Birk, D. E., Soslowsky, L. J. Effect of Age and Proteoglycan Deficiency on Collagen Fiber Re-Alignment and Mechanical Properties in Mouse Supraspinatus Tendon. Journal of Biomechanical Engineering. 135, 021019 (2013).
  15. Beason, D. P., et al. Hypercholesterolemia increases supraspinatus tendon stiffness and elastic modulus across multiple species. Journal of Shoulder and Elbow Surgery. 22, 681-686 (2013).
  16. Miller, K. S., Connizzo, B. K., Soslowsky, L. J. Collagen fiber re-alignment in a neonatal developmental mouse supraspinatus tendon model. Annals of Biomedical Engineering. 40, 1102-1110 (2012).
  17. Cong, G. T., et al. Evaluating the role of subacromial impingement in rotator cuff tendinopathy: Development and analysis of a novel murine model. Journal of Orthopaedic Research. 36, 2780-2788 (2018).
  18. Thomopoulos, S., Birman, V., Genin, G. M. Structural Interfaces and Attachments in Biology. Infection and Immunity. 35, Springer. (2013).
  19. Boivin, G. P., et al. Biomechanical properties and histology of db/db diabetic mouse Achilles tendon. Muscles, Ligaments and Tendons Journal. 4, 280-284 (2014).
  20. Ansorge, H. L., Adams, S., Birk, D. E., Soslowsky, L. J. Mechanical, Compositional, and Structural Properties of the Post-natal Mouse Achilles Tendon. Annals of Biomedical Engineering. 39, 1904-1913 (2011).
  21. Shu, C. C., Smith, M. M., Appleyard, R. C., Little, C. B., Melrose, J. Achilles and tail tendons of perlecan exon 3 null heparan sulphate deficient mice display surprising improvement in tendon tensile properties and altered collagen fibril organisation compared to C57BL/6 wild type mice. PeerJ. 6, 5120 (2018).
  22. Probst, A., et al. A new clamping technique for biomechanical testing of tendons in small animals. Journal of Investigative Surgery. 13, 313-318 (2000).
  23. Talan, M. Body temperature of C57BL/6J mice with age. Experimental Gerontology. 19, 25-29 (1984).
  24. Newton, M. D., et al. The influence of testing angle on the biomechanical properties of the rat supraspinatus tendon. Journal of Biomechanics. 49, 4159-4163 (2016).
  25. Schwartz, A. G., Lipner, J. H., Pasteris, J. D., Genin, G. M., Thomopoulos, S. Muscle loading is necessary for the formation of a functional tendon enthesis. Bone. 55, 44-51 (2014).
  26. Gimbel, J. A., Van Kleunen, J. P., Williams, G. R., Thomopoulos, S., Soslowsky, L. J. Long durations of immobilization in the rat result in enhanced mechanical properties of the healing supraspinatus tendon. Journal of Biomechanical Engineering. 129, 400-404 (2006).
  27. Freedman, B. R., Sarver, J. J., Buckley, M. R., Voleti, P. B., Soslowsky, L. J. Biomechanical and structural response of healing Achilles tendon to fatigue loading following acute injury. Journal of Biomechanics. 47, 2028-2034 (2014).
  28. Deymier, A. C., et al. The multiscale structural and mechanical effects of mouse supraspinatus muscle unloading on the mature enthesis. Acta Biomaterialia. 83, 302-313 (2019).
  29. Killian, M. L., Thomopoulos, S. Scleraxis is required for the development of a functional tendon enthesis. FASEB Journal. 30, 301-311 (2016).
  30. Schwartz, A. G., Long, F., Thomopoulos, S. Enthesis fibrocartilage cells originate from a population of Hedgehog-responsive cells modulated by the loading environment. Development. 142, 196-206 (2015).
  31. Bell, R., Taub, P., Cagle, P., Flatow, E. L., Andarawis-Puri, N. Development of a mouse model of supraspinatus tendon insertion site healing. Journal of Orthopaedic Research. 33, 25-32 (2014).
  32. Connizzo, B. K., Bhatt, P. R., Liechty, K. W., Soslowsky, L. J. Diabetes Alters Mechanical Properties and Collagen Fiber Re-Alignment in Multiple Mouse Tendons. Annals of Biomedical Engineering. 42, 1880-1888 (2014).
  33. Eekhoff, J. D., et al. Functionally Distinct Tendons From Elastin Haploinsufficient Mice Exhibit Mild Stiffening and Tendon-Specific Structural Alteration. Journal of Biomechanical Engineering. 139, 111003 (2017).
  34. Mikic, B., Bierwert, L., Tsou, D. Achilles tendon characterization in GDF-7 deficient mice. Journal of Orthopaedic Research. 24, 831-841 (2006).
  35. Sikes, K. J., et al. Knockout of hyaluronan synthase 1, but not 3, impairs formation of the retrocalcaneal bursa. Journal of Orthopaedic Research. 36, 2622-2632 (2018).
  36. Wang, V. M., Banack, T. M., Tsai, C. W., Flatow, E. L., Jepsen, K. J. Variability in tendon and knee joint biomechanics among inbred mouse strains. Journal of Orthopaedic Research. 24, 1200-1207 (2006).
  37. Wang, V. M., et al. Murine tendon function is adversely affected by aggrecan accumulation due to the knockout of ADAMTS5. Journal of Orthopaedic Research. 30, 620-626 (2011).
  38. Zhang, K., et al. Tendon mineralization is progressive and associated with deterioration of tendon biomechanical properties, and requires BMP-Smad signaling in the mouse Achilles tendon injury model. Matrix Biology. 52-54, 315-324 (2016).
  39. Rooney, S. I., et al. Ibuprofen differentially affects supraspinatus muscle and tendon adaptations to exercise in a rat model. American Journal of Sports Medicine. 44, 2237-2245 (2016).
  40. Galasso, O., et al. Quality of Life and Functional Results of Arthroscopic Partial Repair of Irreparable Rotator Cuff Tears. Arthroscopy - Journal of Arthroscopic and Related Surgery. 33, 261-268 (2017).
  41. Sarver, D. C., et al. Sex differences in tendon structure and function. Journal of Orthopaedic Research. 35, 2117-2126 (2017).
  42. Razmjou, H., et al. Disability and satisfaction after Rotator Cuff decompression or repair: A sex and gender analysis. BMC Musculoskeletal Disorders. 12, 66 (2011).

Tags

ביו-הנדסה סוגיה 152 הדפסה תלת ממדית ייצור מוספים גיד גידים מורוריים אנתזה ביומכניקה
בדיקה ביומכנית של הגידים של מורנה
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Kurtaliaj, I., Golman, M., Abraham,… More

Kurtaliaj, I., Golman, M., Abraham, A. C., Thomopoulos, S. Biomechanical Testing of Murine Tendons. J. Vis. Exp. (152), e60280, doi:10.3791/60280 (2019).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter