Waiting
Login processing...

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

Bioengineering

Biomechanische beproeving van Muriene pezen

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

Het protocol beschrijft efficiënte en reproduceerbare Trek-biomechanische testmethoden voor muriene pezen door het gebruik van Custom-Fit 3D-gedrukte armaturen.

Abstract

Pees aandoeningen zijn gebruikelijk, beïnvloeden mensen van alle leeftijden, en zijn vaak debilitating. Standaard behandelingen, zoals ontstekingsremmende geneesmiddelen, revalidatie en chirurgische herstelling, falen vaak. Om de functie pees te definiëren en de werkzaamheid van nieuwe behandelingen aan te tonen, moeten de mechanische eigenschappen van pezen uit diermodellen nauwkeurig worden bepaald. Murine diermodellen worden nu veel gebruikt voor het bestuderen van pees aandoeningen en het evalueren van nieuwe behandelingen voor Tendinopathieën; echter, het bepalen van de mechanische eigenschappen van muis pezen is uitdagend. In deze studie, een nieuw systeem werd ontwikkeld voor pees mechanische testen met 3D-gedrukte armaturen die exact overeenkomen met de anatomieën van de opperarmbeen en calcaneus mechanisch testen supraspinatus pezen en Achilles pezen, respectievelijk. Deze armaturen werden ontwikkeld met behulp van 3D reconstructies van inheemse bot anatomie, solid modeling, en additieve productie. De nieuwe aanpak elimineerde artifeitelijke aangrijpende mislukkingen (bijv. falen bij het falen van de groei plaat in plaats van in de pees), verminderde totale testtijd en verhoogde reproduceerbaarheid. Bovendien is deze nieuwe methode gemakkelijk aanpasbaar voor het testen van andere muriene pezen en pezen van andere dieren.

Introduction

Pees aandoeningen zijn gebruikelijk en zeer overwegend onder de veroudering, atletische, en actieve populaties1,2,3. In de Verenigde Staten, 16.400.000 bindweefsel letsels worden gerapporteerd elk jaar4 en rekening voor 30% van alle letsel-gerelateerde Arts Office bezoeken3,5,6,7, 8. De meest getroffen sites zijn de rotator cuff, Achilles pees en Patellaire pees9. Hoewel er een verscheidenheid aan niet-operatieve en operatieve behandelingen zijn onderzocht, met inbegrip van anti-inflammatoire geneesmiddelen, revalidatie, en chirurgische reparatie, uitkomsten blijven slecht, met beperkte terugkeer naar functie en hoge percentages van falen5, 6. Deze slechte klinische uitkomsten hebben fundamentele en translationele studies gemotiveerd om de tendinopathie te begrijpen en nieuwe behandelings benaderingen te ontwikkelen.

Trek-biomechanische eigenschappen zijn de primaire kwantitatieve uitkomsten die de functie pees definiëren. Daarom, laboratorium karakterisatie van tendinopathie en werkzaamheid van de behandeling moet een rigoureuze testen van pees treksterkte eigenschappen omvatten. Talrijke studies hebben methoden beschreven om de biomechanische eigenschappen van pezen te bepalen van diermodellen zoals ratten, schapen, honden en konijnen10,11,12. Echter, weinig studies hebben getest de biomechanische eigenschappen van Murine pezen, voornamelijk te wijten aan de moeilijkheden in het aangrijpend van de kleine weefsels voor trekproeven. Zoals Murine modellen hebben tal van voordelen voor mechanistisch bestuderen tendinopathie, met inbegrip van genetische manipulatie, uitgebreide reagens opties, en lage kosten, ontwikkeling van nauwkeurige en efficiënte methoden voor biomechanisch testen van muriene weefsels is nodig.

Om de mechanische eigenschappen van pezen goed te testen, moet het weefsel effectief worden vastgedraaid, zonder uitglijden of artifeitelijke scheuren in de grip-interface of breken van de groei plaat. In veel gevallen, met name voor korte pezen, wordt het bot aan de ene kant vastgedraaid en wordt de pees aan het andere uiteinde vastgedraaid. Botten worden meestal vastgezet door ze in te sluiten in materialen zoals epoxy hars13 en polymethylmethacrylaat14,15. Pezen worden vaak geplaatst tussen twee lagen schuurpapier, gelijmd met cyanoacrylaat, en beveiligd met behulp van compressie klemmen (als de dwarsdoorsnede plat is) of in een bevroren medium (als de dwarsdoorsnede groot is)15,16,17 . Deze methoden zijn toegepast op biomechanisch testen van muriene pezen, maar uitdagingen ontstaan door de geringe omvang van de specimens en de conformiteit van de groei plaat, die nooit18verbeert. Bijvoorbeeld, de diameter van de Murine Opperarm hoofd is slechts een paar millimeter, waardoor het aangrijpend maken van het bot moeilijk. Specifiek, trekproeven van Murine supraspinatus pees-to-Bone monsters vaak resulteert in falen op de groei plaat in plaats van in de pees of op de pees enthesis. Op dezelfde manier is biomechanisch testen van de Achilles pees een uitdaging. Hoewel de Achilles pees groter is dan andere muriene pezen, is de calcaneus klein, waardoor het moeilijk is om dit bot aan te grijpen. Het bot kan worden verwijderd, gevolgd door het aangrijpend van de twee pees uiteinden; Dit verzet zich echter tegen het testen van de Tendon-naar-bot-bevestiging. Andere groepen melden aangrijpend de calcaneus Bone met behulp van op maat gemaakte armaturen19,20, verankering door klemmen21, fixeren in zelfuithardende kunststof cement22 of met behulp van een conische vorm sleuf22, maar deze eerdere methoden blijven beperkt door de lage reproduceerbaarheid, hoge grijp insufficiëntie en vervelende voorbereidings vereisten.

Het doel van de huidige studie was het ontwikkelen van een nauwkeurige en efficiënte methode voor het testen van Trek-biomechanisch onderzoek van muriene pezen, gericht op de supraspinatus en Achilles pezen als voorbeelden. Met behulp van een combinatie van 3D-reconstructies van native Bone anatomie, solid modeling, en additieve productie, werd een nieuwe methode ontwikkeld om grip te hebben op de botten. Deze armaturen effectief beveiligd de botten, voorkomen groei plaat falen, verminderde preparaat voorbereidingstijd, en verhoogde testen reproduceerbaarheid. De nieuwe methode is gemakkelijk aanpasbaar om andere muriene pezen te testen, evenals pezen bij ratten en andere dieren.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Dierstudies werden goedgekeurd door het institutioneel Dierenzorg-en gebruiks Comité van Columbia University. Muizen die in deze studie werden gebruikt, waren van een C57BL/6J-achtergrond en werden gekocht bij het Jackson Laboratory (Bar Harbor, ME, USA). Ze werden ondergebracht in pathogeen-vrije barrière omstandigheden en werden voorzien van voedsel en water ad libitum.

1. ontwikkeling van Custom-Fit 3D gedrukte armaturen voor aangrijpend bot

  1. Bone Image Acquisition en 3D Bone modelbouw
    1. Ontleden het bot van belang in voorbereiding voor 3D-model creatie en 3D-botgrip afdrukken; de opperarmbeen en de calcaneus worden als voorbeeld gebruikt in het huidige protocol.
      Opmerking: gedetailleerde instructies voor het ontleden van bot-pees-spier monsters voor mechanische testen zijn beschikbaar in stap 2.1.1. De volgende stappen moeten worden gevolgd om bones te isoleren met het oog op het maken van 3D-gedrukte Bone grips.
      1. Dissectie van de opperarmbeen: Euthanize een muis per door IACUC goedgekeurde procedure. Verwijder de bovenste extremiteiten huid, verwijder alle spieren over de opperarmbeen, Verduidelijk de elleboog en glenohumeral gewrichten, en verwijder voorzichtig alle bindweefsels gehecht aan de opperarmbeen.
      2. Dissectie van de calcaneus: Euthanize een muis per door IACUC goedgekeurde procedure. Verwijder de huid van de onderste ledematen, Verduidelijk de Achilles pees-calcaneus gewricht en gewrichten tussen calcaneus en andere voet botten, en verwijder voorzichtig alle bindweefsels die aan de calcaneus zijn gehecht.
    2. Voer een microcomputer tomografie scan van het hele bot uit, bijvoorbeeld scan de monsters van de opperarmbeen en calcaneus.
      Opmerking: afhankelijk van de gebruikte scanner zullen de instellingen verschillend zijn. Voor de scanner gebruikt in de huidige studie (tabel van de materialen), de aanbevolen instellingen zijn: scan op een energie van 55 KVP, al 0,25 filter, bij een resolutie van 6 μm.
      1. Meng agarose poeder in ultrapuur water en magnetron voor 1-3 min totdat de agarose volledig is opgelost. Het is nuttig om te magnetron voor 30-45 s, stop en Swirl, en dan verder naar de kook. Vul cryotubes tot driekwart vol met agarose. Laat de agarose afkoelen voor ongeveer 5-10 min.
      2. Steek bot in de agarose-gel (dit voorkomt bewegings artefacten tijdens het scannen). Plaats een cryotube met bone in de scanner.
        Opmerking: voor de scanner die in het huidige onderzoek wordt gebruikt, werd voor alle scans een automatische monsterwisselaar met 16 standen gebruikt. Deze scanner kan automatisch de vergroting selecteren op basis van de grootte en vorm van een sample.
    3. Reconstrueren microcomputer tomografie scan projectie beelden in dwarsdoorsnede afbeeldingen. Gebruik de aanbevolen parameters voor de scanner/software combinatie van de experimenteerder.
      Opmerking: voor het programma gebruikt in de huidige studie (tabel van de materialen) is het raadzaam om de volgende reconstructie parameters te gebruiken: vloeiend maken: 0-2, Beam verharding correctie: 45, ring artefact reductie: 4-9 en om segmenten te reconstrueren in 16-bits TIFF Formaat.
    4. Creëer een 3D-model en sla het op in een standaard STL-formaat dat compatibel is met de meeste 3D-printers en Rapid prototyping. Voor het programma dat wordt gebruikt in de huidige studie (tabel met materialen), doet u het volgende:
      1. Selecteer het opdracht bestand > openen om de bestandsgegevensset te openen. Open het dialoogvenster bestand > Voorkeuren en selecteer het tabblad Geavanceerd .
      2. Gebruik het algoritme voor adaptieve rendering om de 3D-modellen te construeren. Dit algoritme minimaliseert het aantal facet driehoeken en biedt soepeler oppervlak details. Gebruik 10 als de parameter plaats; Deze parameter definieert de afstand in pixels tot het naburige punt dat wordt gebruikt om de objectrand te vinden. Minimaliseer tolerantie tot 0,1 om de bestandsgrootte te verkleinen.
        Opmerking: na het openen van de gegevensset worden de afbeeldingen weergegeven op de pagina ' RAW images '.
      3. Als u het volume van de interesse (VOI) wilt opgeven, selecteert u handmatig twee afbeeldingen die u wilt instellen als de boven-en onderkant van het geselecteerde VOI-bereik.
      4. Ga naar de tweede pagina, regio van belang. Selecteer handmatig het interessegebied op een enkele doorsnede afbeelding.
        Opmerking: het geselecteerde gebied wordt rood gemarkeerd (d.w.z. het dwarsdoorsnede gebied van de opperarmbeen).
      5. Herhaal de vorige stap elke 10 – 15 doorsnede afbeeldingen.
      6. Naar de derde pagina binaire selectiegaan. Klik in het menu histogram op van gegevensset. De histogram verdeling van de helderheid van alle afbeeldingen van de gegevensset wordt weergegeven. Klik ook in het menu histogram op het menu een 3D-model bestand maken .
    5. Sla een 3D-model van de bone op in STL-bestandsindeling.
    6. Verfijn het gaas: manipuleer het gaas om de grootte van het STL-bestand te verkleinen en het compatibel te maken met elk solide modellerings computerondersteund ontwerpprogramma. Voor het programma gebruikt in de huidige studie (tabel van de materialen), volg de onderstaande stappen:
      1. Importeer mesh en Selecteer alles om te bewerken. Kies verkleinen uit de toolset bewerken. Selecteer vervolgens driehoekje budget uit de toolset verkleinen doel. Verminder het aantal Tri en accepteer wijzigingen. Sla het nieuw gereduceerde bestand opnieuw op in STL-indeling door exporteren als te kiezen...
  2. Ontwerp van Custom-Fit Bone armaturen
    1. Supraspinatus pees-humeral Bone
      1. Gebruik een solid modeling computer-aided design programma om een Custom-Fit model van opperarmbeen grijp armatuur (afbeelding 1, aanvullende bestanden) te maken.
        Opmerking: het programma dat wordt gebruikt in de huidige studie wordt vermeld in de tabel met materialen.
      2. Open het STL-formaat bestand van de opperarmbeen bone in een solide modellerings programma en sla het op als een onderdeel bestand.
        Opmerking: voor de software die wordt gebruikt in de huidige studie (tabel met materialen), werd het 3D Bone-object opgeslagen in de sldprt-indeling.
      3. Open het onderdeel bestand en maak handmatig drie anatomisch relevante vlakken (d.w.z. Sagittaal, coronal, dwarse).
        1. Handmatig definiëren het sagittale vlak te snijden door de supraspinatus pees gehechtheid op de grotere tuberosity. Zorg ervoor dat het 3D-blok het sagittale-vlak als een vlak van symmetrie bevat. Om dit te bereiken, voeg of snijd materiaal uit het blok indien nodig.
          Let op: dit vlak van symmetrie zorgt ervoor dat wanneer het preparaat in de armaturen wordt gestoken de pees en pees gehechtheid zich in de centrale as van de fixture bevinden.
      4. Meet de afmetingen van het bot langs elk van de drie vlakken (d.w.z. hoogte, breedte, lengte).
      5. Meet de afmetingen van de mechanische test handvatten waar de 3D printed fixture wordt bevestigd.
      6. Begin met het ontwerpen van een massief blok deel (bijv. een vaste cilinder).
        1. Zorg ervoor dat elke afmeting van het blok minstens 5 mm groter is dan de afmetingen van de opperarmbeen.
        2. Rekening voorontwerp beperkingen van mechanische test grepen (dat wil zeggen, zorg ervoor dat de 3D-gedrukte armatuur kan worden geassembleerd en gedemonteerd vrij in de mechanische test grepen).
      7. Maak een assemblage model met twee componenten: het massieve blok en ofwel het rechter-of linkerhumerus-bot. Definieer de oriëntatie van het bot binnen het blok (d.w.z. de hoek tussen de pees en het bot). Zorg ervoor dat het gehele botvolume in het blok past.
      8. Maak een holte in het blok met behulp van het opperarmbeen-bot als de mal. Als u de software gebruikt die is opgegeven in de tabel met materialen, voert u de volgende stappen uit:
        1. Plaats het ontwerpgedeelte (humerus) en de schimmel bodem (cilinderblok) in een tussentijdse assemblage. Selecteer in het venster assemblage het blok en klik op component bewerken op de werkbalk assemblage .
        2. Klik op > functies ≫ holte Invoegen . Selecteer Uniform schalen en voer 0% in als de waarde die in alle richtingen moet worden geschaald.
      9. Het botgedeelte onderdrukken en de assembly als een onderdeel opslaan.
      10. Open deel (cilinder met holte). Snijd het deel langs het sagittale vlak om twee symmetrische componenten te maken die in het bot anterieure en posteriorly passen (bijv. twee halve cilinders, zoals te zien in Figuur 1).
        Opmerking: twee componenten zijn ontworpen die passen op het bot anterieure en posteriorly. De voorste component bevat een halve bolvormige holte die is verlengd van de voorste kant van de Opperarm Head tot de supraspinatus pees gehechtheid. De posterieure component holte wordt gevormd als het achterste deel van de opperarmbeen (d.w.z. achterste zijde van de Opperarm Head, deltoïde tuberosity en mediale en laterale epicondyle).
      11. Sla elk onderdeel op als een afzonderlijk bestands onderdeel.
      12. Voor de voorste component, zorg ervoor dat de Opperarm hoofd is ingebed in de holte van het deel door het definiëren van de juiste toleranties.
        Opmerking: in de huidige studie, met behulp van de software die is opgegeven in de tabel van de materialen, wordt voorgesteld om de onderstaande stappen te volgen:
        1. Creëer een draaide om Cut om de mesh-geometrie van de holte glad te strijken. Creëer een schets voor de snede door de geometrie van de holte te emuleren en een locationele speling toe te voegen.
          Opmerking: de klaring zorgt voor een vrije montage en demontage tussen het bot en de voorste component.
      13. Pas de achterste component aan om de holte geometrie te imiteren om een snede te maken die speling toevoegt, zoals hierboven beschreven voor de voorste component.
      14. Maak een snede in het dwarsvlak vanaf de bovenzijde van de achterste component tot aan de bovenkant van de grotere/kleine tubercle.
        Opmerking: zoals te zien is in Figuur 1 en Figuur 2, bevat de posterieure component een snede die een opening op de pees gehechtheid creëert.
      15. Creëer een nauwsluitende pasvorm tussen de twee componenten om gratis montage en demontage mogelijk te maken.
        Opmerking: voor de armaturen in de huidige studie is een gat-schacht pasvorm met een loszittende speling gemaakt.
      16. Maak 3D-spiegel modellen voor elk onderdeel van de fixture voor de tegenovergestelde ledemaat (d.w.z. links of rechts).
      17. Voeg een etch toe aan de onderkant van de armaturen om onderscheid te maken tussen de linker-en rechterkant.
      18. Sla alle fixture-onderdelen op in STL-standaard bestandsformaat in voorbereiding op 3D-printen.
    2. Achilles pees-calcaneus Bone
      1. Volg dezelfde stappen als hierboven beschreven voor supraspinatus-humeral Head fixture.
        Opmerking: er is slechts één set armaturen nodig voor de Achilles-calcaneal, omdat de anatomie van de linker en rechter calcaneus botten bijna symmetrisch is.

2. biomechanische beproeving van muriene pezen

  1. Preparaat-en transversale oppervlakte-meting
    1. Dissect de spier-pees-bot van belang in voorbereiding voor treksterkte mechanische testen. In de huidige studie, supraspinatus spier-pees-opperarmbeen bot specimens (n = 10, 5 mannetje, 5 vrouwelijk) en gastrocnemius spier-Achilles pees-calcaneus bot specimens (n = 12, 6 man, 6 vrouwelijk) werden geïsoleerd van 8 week oude C57BL/6j muizen.
      1. Dissectie van de spier van de supraspinatus-pees-opperarmbeen-botspecimen
        1. Euthanize een muis per door IACUC goedgekeurde procedure. Plaats de muis in een liggende positie. Maak een incisie in de huid van boven de elleboog van de voorpoot naar de schouder.
        2. Verwijder voorzichtig de huid met botte dissectie zodat de spier massa van de schouder zichtbaar is. Verwijder het weefsel rondom de opperarmbeen totdat het bot wordt blootgesteld en veilig kan worden vastgehouden met een tang.
        3. Houd de Opperarm met een tang en verwijder voorzichtig de deltoïde en trapezius spieren om de coracoacromiale boog bloot te leggen. Identificeer het acromioclaviculaire gewricht en scheid de sleutelbeen van de acromion zorgvuldig met een scalpel blad.
        4. Zorg dat u de supraspinatus pees en de Bony-gehechtheid niet beschadigt, verwijder de spier uit de scapulaire bevestiging met een scalpel-blad. Het verzorgen van het niet beschadigen van de supraspinatus pees en zijn Bony gehechtheid, loskoppelen van de Opperarm hoofd van de glenoid; met behulp van een scalpel blad, Lacerate de gewrichtscapsule en de infraspinatus, subscapularis, en teres kleine pezen.
        5. Vergeleer het ellebooggewricht om de Opperarm te scheiden van de ellepijp Spaak en de straal. Isoleer de opperarmbeen-supraspinatus pees-spier preparaat en reinig de overtollige zachte weefsels op de opperarmbeen en het Opperarm hoofd.
      2. Dissectie van het Achilles pees-calcaneus-botmonster
        1. Euthanize een muis per door IACUC goedgekeurde procedure. Plaats de muis in een liggende positie. Zorg dat u de Achilles pees en de Bony gehechtheid niet beschadigt, verwijder de huid met botte dissectie zodat de spier massa rond de enkel en kniegewrichten wordt blootgesteld.
        2. Met behulp van een scalpel blad, beginnend bij de Achilles pees-calcaneus gehechtheid, voorzichtig loskoppelen van de gastrocnemius spier uit de proximale bijlagen.
        3. Zorgvuldig verwoorden de calcaneus van de verschillende aangrenzende botten. Isoleer de Achilles pees-calcaneus specimen en reinig de overtollige zachte weefsels.
    2. Bepaal het transversale gebied van de pees met behulp van microcomputer tomografie.
      Opmerking: voor de scanner gebruikt in de huidige studie (tabel van de materialen), de aanbevolen instellingen zijn: scan op een energie van 55 KVP, al 0,25 filter, bij een resolutie van 5 μm.
      1. Meng agarose poeder in ultrapuur water en magnetron voor 1-3 min totdat de agarose volledig is opgelost. Het is nuttig om te magnetron voor 30-45 s, stop en Swirl, en dan verder naar de kook. Vul cryotubes tot driekwart vol met agarose. Laat de agarose afkoelen voor ongeveer 5-10 min.
      2. Het preparaat in de cryotube opschorten door het bot ondersteboven te plaatsen.
        Opmerking: alleen het bot moet in de agarose-gel staan. De pees en spier moeten buiten worden opgehangen.
    3. Na de scan, voorzichtig verwijderen spier van pees met behulp van scalpel Blade. Steek het preparaat in de 3D-geprinte armatuur.
      Opmerking: de handvatten zijn herbruikbaar voor elke test. Gebruik geen lijm of epoxy in de armatuur; het bot wordt in een pers pasvorm gehouden.
    4. Plaats en lijm de pees tussen een gevouwen dun tissuepapier (2 cm x 1 cm) en klem de constructie met behulp van dunne film grepen. Bevestig het 3D-geprinte armatuur met het preparaat in de test grepen.
    5. Steek het monster en de handvatten in een testbad met fosfaatgebufferde zoutoplossing (PBS) bij 37 °C (d.w.z. de lichaamstemperatuur van de muis23).
  2. Trekproeven
    1. Voer treksterkte mechanische test op een materiaal test frame.
      Opmerking: voor het test frame dat wordt gebruikt in de huidige studie (tabel met materialen), is het aanbevolen Protocol:
      1. Definieer de lengte van de gauge als de afstand van de pees gehechtheid aan de bovenste greep.
      2. Voorwaarde met 5 cycli tussen 0,05 N en 0,2 N.
      3. Hold voor 120 s.
      4. Gebruik een spanning tot falen van 0,2%/s.
    2. Gegevens over de belasting vervorming verzamelen.
    3. Bereken de stam als de verplaatsing ten opzichte van de initiële ijklengte van de pees.
    4. Bereken de spanning als de kracht gedeeld door de initiële pees dwarsdoorsnede gebied (gemeten vanuit microCT).
    5. Als u geïnteresseerd in visco-elastisch gedrag, voer een stress ontspanning voorafgaand aan de spannings test te falen en gebruik de gegevens voor het berekenen van parameters zoals A, B, C, tau1, en tau2 van de quasilinear visco-elastisch model24.
    6. Bereken de stijfheid (helling van het lineaire gedeelte van de curve), de maximale kracht en het te leveren werk (het gebied onder de curve tot de opbrengst kracht) van de belastingvervormings curve.
      1. Identificeer het lineaire gedeelte door een venster met punten in de belastingvervormings curve te kiezen die de R2 -waarde maximaliseert voor een lineaire kleinste kwadraten regressie25.
      2. Bepaal de stijfheid als de helling van het lineaire gedeelte van de belastingverschuivings curve25,26.
    7. Bereken vanuit de spannings stam curve de modulus (helling van het lineaire gedeelte van de curve), de sterkte (maximale spanning) en de veerkracht (gebied onder de curve tot het leveren van stress).
      Opmerking: met het RANSAC-algoritme wordt de opbrengst spanning (x-waarde) gedefinieerd als het eerste punt wanneer de y-Fit meer dan 0,5% van de verwachte stress waarde (y-waarde) heeft afgeweken. Opbrengst spanning is de corresponderende y-waarde van de opbrengst stam.
      Opmerking: in aanvulling op de monotone treksterkte belasting op falen beschreven in de huidige studie, cyclische belasting kan belangrijke informatie over pees vermoeidheid en/of visco-elastische eigenschappen bieden. Bijvoorbeeld, Freedman et al. gerapporteerde Vermoeidheids eigenschappen van de Murine Achilles pedons27.
    8. Na voltooiing van de trekproef, voer een microcomputer tomografie scan van het hele bot, bijvoorbeeld, scan de opperarmbeen en calcaneus monsters.
      Opmerking: voor de scanner gebruikt in de huidige studie (tabel van de materialen), de aanbevolen instellingen zijn: scan op een energie van 55 KVP, al 0,25 filter, bij een resolutie van 6 μm.
      1. Herhaal de stappen 1.1.2.1 – 1.1.2.2.
    9. Herhaal stap 1.1.3.
    10. Gebruik een 3D-visualisatieprogramma dat compatibel is met de scanner om een door het volume gerenderd 3D-model van het gescande object te maken.
      Opmerking: het programma dat wordt gebruikt in de huidige studie wordt vermeld in de tabel met materialen.
    11. Bepaal het gebied foutmodus en fout site door het 3D-object te inspecteren.
  3. Statistische analyse: Toon alle sample resultaten als gemiddelde ± standaarddeviatie (SD). Maak vergelijkingen tussen groepen met behulp van de t-tests van studenten (tweezijdige en ongepaarde). Stel significantie in als p < 0,05.
    Opmerking: de statistische software die in de huidige studie wordt gebruikt, wordt vermeld in de tabel met materialen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

3D-gedrukte armaturen werden gebruikt voor het testen van 8 weken oude Murine supraspinatus en Achilles pezen. Alle mechanisch geteste monsters mislukten bij de enthesis, zoals gekarakteriseerd door microCT-scans, visuele inspectie en video analyse na trekproeven. Een een-op-een vergelijking van de vorige en huidige methoden voor supraspinatus pees testen in ons laboratorium is weergegeven in Figuur 3. In de vorige methode28,29,30, het opperarmbeen bot werd ingebed in epoxy en een paperclip werd geplaatst over de Opperarm hoofd in een poging om te voorkomen dat de groei plaat fractuur. 4-6 uur waren noodzakelijk om de epoxy volledig te laten genezen (Figuur 3), waardoor slechts 6-8 specimens in een typische dag kunnen worden getest. Een verdere beperking van de aanpak was de gebruiker afhankelijke effectiviteit van de paperclip plaatsing voor het voorkomen van groei plaat fractuur. De testresultaten met behulp van deze voorgaande methoden waren zeer variabel, met variatiecoëfficiënten op de orde van 30% voor de meeste parameters en groei plaat falen percentages van ongeveer 10% – 20%. Zoals samengevat in Figuur 3, werd de bereidingstijd van het preparaat met behulp van de nieuwe methoden verlaagd naar 5 – 10 minuten, waardoor het praktisch was om 16 – 20 monsters per dag te testen. Bovendien, groei plaat mislukkingen werden geëlimineerd.

Vergeleken met de door anderen gerapporteerde methodologie voor het testen van Murine pezen14,15,17,25,28,29,30,31 ,32,33, de nieuwe methodes waren efficiënter en reproduceerbaar. Voor supraspinatus pezen, structurele eigenschappen zoals maximale belasting (3,8 ± 0,6 N) en stijfheid (12,7 ± 1,8 N/mm), evenals genormaliseerde materiaaleigenschappen zoals maximale spanning (8,7 ± 3,0 MPa), en modulus (51,7 ± 13,5 MPa) hadden aanzienlijk lagere coëfficiënten van variaties ten opzichte van de resultaten uit de literatuur (tabel 1). Voor de Achilles pees, mechanische eigenschappen zoals maximale belasting (7,8 ± 1,1 n) en stijfheid (13,2 ± 1,9 N/mm) had lagere coëfficiënten van variaties ten opzichte van de resultaten van de literatuur19,21,22 ,32,33,34,35,36,37,38, terwijl maximale belasting (24,2 ± 5,4 MPa) en modulus (73,2 ± 22,1 MPa) had coëfficiënten van variaties vergelijkbaar met die gerapporteerd in de literatuur (tabel 2).

Animal sex had een significant effect op de mechanische eigenschappen van de supraspinatus en de Achilles pezen (Figuur 4). Bij het vergelijken van mannelijke en vrouwelijke supraspinatus pezen, waren er significante verhogingen in de maximale kracht (p = 0,002) en het werk aan de opbrengst (p = 0,008). Er waren trends tussen de twee groepen voor stijfheid (p = 0,057), stress (p = 0,068), modulus (p = 0,061) en veerkracht (p = 0,078). Bij het vergelijken van mannelijke en vrouwelijke Achilles pezen, waren er significante verhogingen in de maximale belasting (p = 0,0006) en veerkracht (p = 0,0019). Er waren trends tussen de twee groepen voor werk te leveren (p = 0,079), en modulus (p = 0,074) en geen verschil voor maximale kracht (p = 0,1880) en stijfheid (p = 0,6759).

Figure 1
Figuur 1: representatieve 3D-modellen van armaturen voor de opperarmbeen (bovenste rij) en de calcaneus (onderste rij). A) 3D-modellen van de botten. B) gedemonteerde modellen van de armaturen. C) gemonteerde modellen van de armaturen. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Figure 2
Figuur 2: representatieve 3D-gedrukte armaturen. A) armatuur voor biomechanische tests van supraspinatus pezen van 8 weken oude muizen onder een hoek van 180 ° tussen de opperarmbeen en supraspinatus pees. B) armatuur voor biomechanische tests van supraspinatus pezen van 8 weken oude muizen onder een hoek van 135 ° tussen de opperarmbeen en supraspinatus pees. C) armatuur voor biomechanische beproeving van Muriene Achilles pezen onder een hoek van 120 ° tussen de calcaneus en de Achilles pees. D) armatuur voor biomechanische tests van supraspinatus pezen van volwassen Sprague Dawley-ratten onder een hoek van 180 ° tussen de opperarmbeen en supraspinatus pees. Schaalbalk: 5 mm. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Figure 3
Figuur 3: vergelijking van vorige en huidige methoden voor mechanische testen van Murine supraspinatus pezen. A) eerdere preparaat bereidingsmethoden die in ons laboratorium werden gebruikt voorafgaand aan mechanische tests: de Opperarm was ingegoten in epoxy tot aan de Opperarm hoofd om het bot te stabiliseren, een paperclip werd geplaatst over de Opperarm hoofd om te voorkomen dat de groei plaat breuk, en, voor de epoxy om te genezen, werden de specimens op kamertemperatuur gelaten gedurende 4-6 uur voorafgaand aan mechanische tests. B) methoden voor de bereiding van preparaten die in de huidige studie worden gebruikt (stappen 1,2 en 2.1.4): linksboven toont een 3D-representatie van de armaturen zoals geproduceerd door een solide modellerings programma. De 3D gedrukte armaturen zijn herbruikbaar en gemakkelijk geassembleerd en gedemonteerd. Het botuiteinde van het preparaat wordt in de armaturen gestoken, waardoor de groei plaat wordt vastgezet en de pees wordt blootgesteld aan aangrijpend en getest. Het uiteinde van de pees wordt gelijmd tussen een gevouwen dun tissuepapier en in de handvatten gestoken. Bereidingstijd voor elk specimen is 10 – 15 minuten. C) representatieve curven voorbelasting vervorming voor trekproeven van supraspinatus pees met behulp van de huidige methoden. D) representatieve belastingvervormings curve voor trekproeven van supraspinatus pees met een uitval van de groei plaat. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Figure 4
Figuur 4: geslachts effect op de mechanische eigenschappen van supraspinatus (SST) en Achilles (acht) pezen. Er was een significant effect van seks op veel van de mechanische eigenschappen op basis van ongepaarde t-tests (* geslachts effect, p < 0,05). Gegevens weergegeven als gemiddelde ± standaarddeviatie. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Figure 5
Figuur 5: meting van de dwarsdoorsnede van de microCT. A) minimum meting van de transversale oppervlakte over de lengte van supraspinatus pees. B) minimum meting van de transversale oppervlakte over de lengte van de Achilles pees. Alleen de juiste pees moet worden geselecteerd voor meting. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Structurele eigenschappen Materiaaleigenschappen
Dieren Max kracht (N) Stijfheid (N/mm) Maximale belasting (MPA) Modulus (MPa)
Auteur N Achtergrond Gemiddelde ± SD- COV (%) Gemiddelde ± SD- COV (%) Gemiddelde ± SD- COV (%) Gemiddelde ± SD- COV (%)
Beason et al. Journal van de schouder en de elleboog chirurgie (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
Bell et al. Journal van orthopedisch onderzoek (2014)31 6 C57Bl/6 1,22 ± 0,52 42,62 2,37 ± 1,6 67,51 NR NR
Cong et al. Journal van orthopedisch onderzoek (2018)17 8 C57Bl/6 5,38 ± 2,404 # 44,68 4,25 ± 1,67 # 39,29 NR NR
Connizzo et al. annalen van biomedische techniek (2014)32 10 NR (DB/+) NR 84,44 ± 27,23 * † 32,25 NR 476 ± 186,27 * 39,13
Connizzo et al. Journal van biomedische techniek (2013)14 NR C57/BL6 NR NR NR 297 ± 148,90 * 50,13
Deymier et al. Acta Biomaterialia (2019)28 12 CD-1 IGS-muis (WT) 5,0 ± 0,7 14 9,2 ± 2,9 31,52 33 ± 35 106,06 NR
Eekhoff et al. Journal van biomedische techniek (2017)33 13 ELN +/+ NR 8,50 ± 2,95 34,71 5,96 ± 3,23 54,19 101,2 ± 50,8 50,20
Killian et al. FASEB journal (2016)29 8 C57BL/6 NR NR 7,79 ± 2,61 * 33,50 58,32 ± 31,73 * 54,41
Schwartz et al. Bone (2014)25 20 CD-1 IGS-muis (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
Schwartz et al. ontwikkeling (2015)30 12 (Rosa-DTA (DTA) x Gli1-CreERT2) ScxCre; Smofl/FL (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
Gemiddelde COV 27,34 Gemiddelde COV 38,64 Gemiddelde COV 51,70 Gemiddelde COV 45,02
Nieuwe methode 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

Tabel 1: mechanische eigenschappen van supraspinatus pezen. Gemiddelde ± SD en variatiecoëfficiënt (COV) voor structurele en materiaaleigenschappen geschat met behulp van nieuwe methoden in vergelijking met die gerapporteerd in de literatuur. [NR: niet gerapporteerd, * geschat op basis van figuur (en), # standaarddeviatie berekend op basis van gerapporteerde standaardfout, † gemeten vervorming met optische vlek lijnen].

Structurele eigenschappen Materiaaleigenschappen
Dieren Max kracht (N) Stijfheid (N/mm) Maximale belasting (MPA) Jonge modulus (MPa)
Auteur N Achtergrond Gemiddelde ± SD- COV (%) Gemiddelde ± SD- COV (%) Gemiddelde ± SD- COV (%) Gemiddelde ± SD- COV (%)
Boivin et al. spieren, ligamenten en pezen Journal (2014)19 6 Niet-diabetische Lean Control muizen 8,1 ± 0,6 7,41 3,9 ± 0,7 17,95 NR 16 ± 3,7 23,13
Connizzo et al. annalen van biomedische techniek (2014)32 10 DB/+ NR 20,39 ± 2,43 * 11,92 NR 152,94 ± 44,12 * 28,85
Eekhoff et al. Journal van biomechanische techniek (2017)33 8 ELN +/+ NR 18,86 ± 3,37 17,87 10,55 ± 2,97 28,15 443,8 ± 131,7 29,68
Mikic et al. Journal van orthopedisch onderzoek (2006)34 20 C57BL/6-J x 129SV/J NR NR 18 ± 5 27,78 61 ± 20 32,79
Probst et al. Journal van onderzoek chirurgie (2000)22 20 BALB/c 8,4 ± 1,1 13,10 6,3 ± 1,2 19,05 NR NR
Shu et al. peer J (2018)21 9 C57BL/6 9,6 ± 3,84 39,96 8,19 ± 3,63 44,32 27,55 ± 10,54 38,26 NR
Sikes et al. Journal van orthopedisch onderzoek (2018)35 7 C57BL/6 NR NR 19,53 ± 7,03 0,36 62,82 ± 20,20 32,16
Wang et al. dagboek van orthopedisch onderzoek (2006)36 9 A/J 8,4 ± 1,2 14,29 12,2 ± 2,8 22,95 78,2 ± 8,6 11,00 713,9 ± 203,7 28,53
Wang et al. dagboek van orthopedisch onderzoek (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
Wang et al. dagboek van orthopedisch onderzoek (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
Wang et al. dagboek van orthopedisch onderzoek (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
Zhang et al. matrix biologie (2016)38 NR CD-1 en 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
Gemiddelde COV 22,93 Gemiddelde COV 22,07 Gemiddelde COV 23,96 Gemiddelde COV 25,25
Nieuwe methode 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

Tabel 2: mechanische eigenschappen van Achilles pezen. Gemiddelde ± SD en COV voor structurele en materiaaleigenschappen geschat met behulp van nieuwe methoden in vergelijking met die gerapporteerd in de literatuur. [NR: niet gerapporteerd, * geschat op basis van afbeelding (en), # standaarddeviatie berekend op basis van gerapporteerde standaardfout].

Aanvullende bestanden. Klik hier om dit bestand te downloaden. 

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Murine diermodellen worden vaak gebruikt voor het bestuderen van pees aandoeningen, maar karakterisering van hun mechanische eigenschappen is uitdagend en ongewoon in de literatuur. Het doel van dit protocol is het beschrijven van een tijd efficiënte en reproduceerbare methode voor het testen van de trek van muriene pezen. De nieuwe methoden verkort de tijd die nodig is om een monster te testen van uren tot minuten en elimineerde een belangrijk aangrijpend artefact dat een veelvoorkomend probleem was in eerdere methoden.

Verschillende stappen die in dit protocol worden beschreven, zijn van cruciaal belang voor de productie van effectieve armaturen die de Murine supraspinatus en Achilles pedons mechanisch testen. Ten eerste is stap 1.1.4 noodzakelijk om een 3D-model van het gewenste bot te maken; vanwege de typische hoge resolutie die voor deze scan wordt gebruikt, kan de bestandsgrootte echter te groot zijn voor gebruik met solid modeling Programma's. De software die wordt gebruikt in dit protocol met succes de grootte van het bestand (stap 1.1.6) en bewaarde object geometrie verminderd, hoewel andere software kan ook effectief zijn om dit te bereiken. Ten tweede heeft elke anatomische site specifieke ontwerpcriteria om te overwegen voor effectieve aangrijping. Voor het ontwerp van de supraspinatus pees armatuur is het van cruciaal belang om: (i) de Opperarm Head te beveiligen om groei plaat uitval te voorkomen (stap 1.2.1.12), (II) een vrijloop pasvorm te definiëren die voorkomt dat het opperarmbeen-bot van de mal wordt verwijderd tijdens het testen (stap 1.2.1.12.1) en (III) het opperarmbeen oriënteren om een hoek van 180 ° te vormen met de lange as van de pees (stap 1.2.1.7). Voor het Achilles pees armatuurontwerp is het van cruciaal belang om: (i) een vrijloop pasvorm te definiëren die het kleine calcaneus bot afglijdt zonder uit de armatuur te glippen tijdens het testen en (II) het calcaneus bot te oriënteren tot een hoek van 120 ° (30 ° plantaire Flexion) met de lange as van de pees. Ten derde is nauwkeurige meting van het dwarsdoorsnede gebied van de pees (stap 2.1.2) van cruciaal belang om technische stress correct te berekenen voor de bepaling van materiaaleigenschappen. Om het transversale gebied van de supraspinatus pees te meten, raden we micro computertomografie scans van het bot-pees-spier preparaat aan dat is opgehangen in een cryotube met een vlakke bodem, waarbij het bot ondersteboven in de buis wordt gehouden met agarose. Alleen het opperarmbeen-bot moet in de agarose-gel worden ingebracht, terwijl de Opperarm-kop met de pees en de spier bevestigd in de lucht moet worden gescand. Omdat de supraspinatus pees een opspelde geometrie heeft die in het bot wordt ingevoegd, is de meest consistente manier om het dwarsdoorsnede gebied te meten de minimale dwarsdoorsnede langs de lengte van de pees te bepalen. Er moet een soortgelijke procedure worden gevolgd om het transversale gebied van de Achilles pees te meten. Voor de Achilles pees, hoge resolutie microcomputer tomografie scans onthullen twee verschillende weefsels: de pees juiste en de omringende schede, die verschijnt als een lichtere schaduw. Om consequent het minimale dwarsdoorsnede gebied voor de Achilles pees te schatten, moet alleen de juiste pees worden geselecteerd voor meting (Figuur 5). Ten slotte zijn de handvatten herbruikbaar en kleine variaties van monster tot monster hebben geen invloed op hun effectiviteit. Elk bot moet één keer worden gescand (bijvoorbeeld voor de huidige studie, links humerus, right humerus en calcaneus) en er moet één 3D-model worden gemaakt voor elk bot. Bovendien, voor dieren van dezelfde leeftijd, de botgeometrie is bijna identiek, dus dezelfde armatuur kan worden gebruikt voor het testen van alle specimens. In dit manuscript werden 3D-gedrukte armaturen specifiek voor 8 weken oude muizen (skelet rijpe volwassen muizen) gebruikt om pezen te testen. Het was niet nodig om aparte mannelijke en vrouwelijke armaturen te maken. Voor andere leeftijdsgroepen (bijvoorbeeld 4 weken oude muizen) of muizen met unieke botfenotypes wordt aanbevolen armaturen te vervaardigen die passen bij de specifieke geometrieën van de botten.

Na het ontwerp en het 3D-printen van de armaturen, om de reproduceerbaarheid en efficiëntie van de aanpak te garanderen, moeten 10 pees monsters van muizen met dezelfde achtergrond en leeftijd van de geplande studie doorgaans worden getest (de exacte steekproefgrootte kan variëren afhankelijk van het weefsel en de diermodel). De mechanische eigenschappen van deze pezen moeten worden bepaald om ervoor te zorgen dat de variatiecoëfficiënten voor de structurele en materiële eigenschappen binnen het verwachte bereik liggen, zoals beschreven in tabel 1 en tabel 2. Deze proefnemingen moeten ook bevestigen dat artifeitelijke storingen (bv. groei plaat falen) niet voorkomen. Er kunnen meerdere cycli van ontwerp, prototyping en validatie nodig zijn om de gewenste resultaten te behalen voor andere pezen dan de in het huidige papier beschreven supraspinatus en Achilles pezen.

Een aantal groepen hebben de mechanische eigenschappen van Murine pezen gemeld. De variatiecoëfficiënt in deze studies is meestal hoog, waardoor het vaak moeilijk is om verschillen tussen de vergelijkings groepen op te pikken. Bovendien maakt methodologische verschillen in weefsel aangrijping tussen de verschillende onderzoeken het moeilijk om te bepalen of de eigenschappen van defecten relevant zijn voor pees of als gevolg van artifeitelijke grip storingen. Om de nieuwe testmethoden met bestaande methodologieën te vergelijken, werd een literatuuronderzoek uitgevoerd en werden de resultaten van 20 studies samengevat (tabel 1 en tabel 2). In de literatuur, voor supraspinatus pees mechanische testen, de gemiddelde coëfficiënten van variatie voor maximale kracht, stijfheid, maximale belasting, en modulus waren 27%, 39%, 52%, en 45%, respectievelijk. Voor het mechanisch testen van de Achilles pees waren de gemiddelde variatiecoëfficiënten voor maximale kracht, stijfheid, maximale belasting en modulus respectievelijk 23%, 22%, 24% en 25%. In de huidige studie, de nieuwe methode voor het testen van muriene pezen resulteerde in een 32% – 63% reductie van supraspinatus pees coëfficiënten van variatie en 6% – 39% vermindering van de variatie van de Achilles pees coëfficiënten.

Er is geen huidige standaardmethodologie voor aangrijpende botten, dus is het onduidelijk in hoeverre artifeitelijke aangrijpende problemen gerapporteerde mechanische eigenschappen van muriene pezen hebben beïnvloed. De meeste groepen rapporteren aangrijpend het opperarmbeen-bot met behulp van epoxy hars13, polymethylmethacrylaat (PMMA)14,15of cyanoacrylaat16 en het vastzetten van de Opperarm hoofd door het aanbrengen van een tweede coating van PMMA14, met behulp van aangepaste armatuur39 en/of het invoegen van een paperclip25,28,30. Evenzo rapporteren andere groepen aangrijpend van het veel kleinere calcaneus-bot met behulp van op maat gemaakte armaturen19,20, verankering door klemmen21, fixatie in zelfuithardende kunststof cement22 of met behulp van een conische vorm sleuf22. Deze methoden blijven echter beperkt door een lage reproduceerbaarheid, hoge artifeitelijk uitvalpercentages en tijdrovende voorbereidings vereisten. De nieuwe methoden die in deze studie worden gepresenteerd, hebben artifeitelijke grip fouten geëlimineerd en hebben het aantal specimens verdrievoudigd dat op een dag kan worden getest. Bovendien zijn deze methoden niet beperkt tot de supraspinatus en Achilles pezen, omdat ze gemakkelijk kunnen worden aangepast aan het testen van andere muriene pezen en pezen van grotere diermodellen. Om pezen van grotere dieren te testen, moet de modulus van het 3D-geprinte armatuur materiaal echter hoog genoeg zijn dat het niet conform is met de sterkte van de te testen pees.

Verschillende studies hebben aangetoond seks-gebaseerde verschillen in pees aandoeningen die aangeven dat vrouwen hebben verminderde functie na behandeling na pees letsel40,41,42. In de huidige studie, seks had een significant effect op de mechanische eigenschappen van Murine pezen. Zoals geleid door de National Institutes of Health (NIH), raden wij accounting voor seks als een biologische variabele in het onderzoek ontwerp van dierlijke modellen waar pees mechanische eigenschappen worden gemeten.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

De auteurs hebben niets te onthullen.

Acknowledgments

De studie werd ondersteund door de 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

Biotechniek uitgave 152 3D Printing additieve fabricage pees muriene pezen enthesis biomechanica
Biomechanische beproeving van Muriene pezen
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