$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Önemli bir disiplinlerarası araştırma alanı olan biyomalzemeler ve biyomekanik, malzeme bilimi, mekanik, biyomühendislik, matematik vb. ile bağlantılı deneysel araştırma ve teorik analiz yoluyla biyomalzemelerin yapısı, performansı ve işlevi arasındaki ilişkileri ve mekanizmaları ortaya koymaktadır. Biyomalzemelerin ve biyomekaniğin deneysel yöntemlerini geliştirmek için, bu JoVE Yöntemleri Koleksiyonu, ilgili deneysel yöntemleri ve bunların ilgili özelliklerini iki kategoride tartışır: doku mekanik özellikleri ve biyonik mekaniği. Doku mekaniği gözlemleri, bir 3D hidrojel germe yöntemini, çift raster taramalı bir fotoakustik yöntemi, insan pankreasının deterjansız bir hücresizleştirme yöntemini ve boru şeklindeki iskeleler üzerinde bir çekme ve kesme gerilmeleri ayırma yöntemini içerir. Biyonik mekanik gözlemler, ayak bileği instabilitesi olan hastalar için alt ekstremite hareketi ve postüral kontrole ilişkin bir veri toplama yöntemini içerir.
Mekanik kuvvetin organizasyon üzerindeki etkileri temel olarak gen ekspresyonu, hücre farklılaşması, doku yeniden şekillenmesi 1,2,3 ve hücre dışı matristeki (ECM) değişiklikleri içerir 4,5,6. Mekanik kuvvetlere 7,8,9 doku tepkisinin anlaşılması, doku mühendisliği alanının ve teorik modellerin geliştirilmesine yardımcı olacaktır. Kolel ve ark.10, konfokal mikroskop sırasında statik veya siklik tek eksenli uzamaya izin veren 3D hidrojelleri germek için bir yöntem önermektedir. 0,5 mm kalınlığındaki silikon kauçuk şeritler üzerinde yaklaşık 2 mm çapında bir deliğe sahip bir fibrin jeli kalıpladılar ve ardından canlı konfokal mikroskopi altında tek eksenli germe yapıldı. Son olarak, hücreleri hidrojellere gömme ve onları kontrollü dış gerilmeye maruz bırakma olasılığını tartışıyorlar. Bu protokolde kullanılan gerdirme sistemi, 3D baskı bileşenleri ve düşük maliyetli elektronik bileşenlerden oluşur. Sistem, mevcut diğer yöntemlerle karşılaştırıldığında aşağıdaki benzersiz özelliklere sahiptir. İlk olarak, sistem kalın 3D yumuşak hidrojellerin tek eksenli gerilmesine izin verir ve tüm hidrojel Z-düzgün deformasyona sahiptir. İkincisi, 3D baskının basitliği ve bu ekipmanın düşük maliyeti nedeniyle, bu tür germe ekipmanlarını diğer laboratuvarlarda yapmak kolaydır. Üçüncüsü, numunenin geometrisi ve boyutu kullanıcıya göre serbestçe çalıştırılabilir. Bu yöntem, biyolojik süreç üzerindeki dış kuvvetleri daha fizyolojik 3 boyutlu koşullar altında inceleme yeteneğini geliştirmiş ve doku mühendisliği alanına katkıda bulunmuştur.
Küçük hayvan görüntüleme, insan homolog hastalıkları üzerine yapılan araştırmalara rehberlik etmede ve etkili tedavi yöntemleri aramada önemli bir rol oynamaktadır. Fotoakustik görüntüleme (PAI), optik görüntüleme ve ultrasonik görüntülemenin avantajlarını birleştiren noninvaziv bir görüntüleme teknolojisidir11,12. Yang ve ark.13 çift raster taramalı fotoakustik görüntüleyici (DRS-PAI) bildirmiş ve farelerin farklı bölümlerinin akustik kuplaj taraması yoluyla sırasıyla WIM ve RIM modlarında vasküler görüntüler toplanmaktadır. DRS-PAI'nin avantajı, WIM ve RIM'in tek bir sisteme entegre olması ve gerçek zamanlı kan dinamiklerinin yüksek çözünürlüklü geniş alanlı vasküler görselleştirmesini sağlamasıdır. Gerçek zamanlı görüntüleme modu (RIM), damar sisteminin derinlik yönü boyunca yer değiştirmesini ölçerek solunum veya nabzın özelliklerini ortaya çıkarabilir. Ek olarak RIM, WIM görüntülerinin belirli alanını niceliksel olarak ölçebilir. Görseller karşılaştırılarak yerel değişikliklerin detayları doğru bir şekilde ortaya çıkarılabilir. Bu yöntem, biyomedikal temel araştırmaların çeşitli alanlarına kolaylıkla uygulanabilir.
Adacıklara yönelik artan talep, adacık izolasyonu için daha yüksek gereksinimler ortaya koymaktadır 14,15,16. Tamburrini ve ark.17 daha az ECM hasarı oluşturan ve pankreas ECM'sinin kritik bileşenlerini koruyabilen yeni, deterjansız bir hücresizleştirme yöntemi önermektedir. Hücresizleştirme yöntemi, klasik iyonik ve iyonik olmayan kimyasal deterjanların kullanımını ortadan kaldırır. Ayrıca, bir vasküler sistem yoluyla deterjan enjeksiyonu yerine bir orbital vibratörde dokunun hücresizleştirilmesi, hücresizleştirme teknolojisinin basitliğini, tutarlılığını ve fizibilitesini büyük ölçüde destekler, böylece çeviri için ECM üretimini arttırır. Mevcut hücresiz yöntemler, ECM hücresizleştirme sonrası artık Triton X-100'ü ölçemediğinden ve cGMP ortamında üretim sürecini genişletmenin fizibilitesi düşük olduğundan, tüm pankreasın perfüzyonu yerine mekanik titreşim yoluyla hücresizleştirme elde etmenin fizibilitesini de incelediler. Kollajen ve glikozaminoglikanların miktarının belirlenmesine ilişkin veriler, önceki deneyimlerle tutarlı bir eğilim göstermektedir. Bu protokol kullanılarak bazı sınırlamalar bulundu. Bu nedenle, BMI <30 olan donörlerden alınan insan pankreaslarının genellikle hücresizleştirme için uygun olduğu düşünülmektedir.
Doğrudan in vivo rejenerasyonu indüklemek için emilebilir biyomateryallerin kullanılması çekici bir stratejidir 18,19,20,21,22, ancak bu tür biyomateryaller implantasyondan sonra inflamatuar bir reaksiyona neden olabilir, bu da yeni dokunun daha sonraki emilimi ve rejenerasyonu için itici güçtür. Hem iltihaplanma hem de rejenerasyon süreci, çekme ve kesme gerilimi tarafından belirlenir. Koch ve ark.23, boru şeklindeki iskelelerde çekme ve kesme gerilmelerini ayırmak için bir biyoreaktörün kullanımını ayrıntılı olarak açıklamaktadır. Bu boru şeklindeki biyoreaktör sisteminin uygulanmasının, mekanikteki bireysel ve birleşik etkilerinin incelenmesine yardımcı olacağını öne sürüyorlar. Bu biyoreaktör, boru şeklindeki emilebilir iskelelerde kayma gerilimi ve döngüsel gerilmenin inflamasyon ve doku rejenerasyonuna katkılarını sistematik olarak değerlendirir. Ayrıca bu, iyi kontrol edilen mekanik yükler altında boru şeklindeki stentlerin etkisi altında iltihaplanma ve rejenerasyon yeteneklerinin standartlaştırılmasını mümkün kılar. Bu yöntemin temel adımları ayrıntılı olarak tartışılmaktadır: biyoreaktörün inşası ve kurulumu, iskelenin hazırlanması ve hücre aşılaması, gerdirme ve kesme akışının uygulanması ve bakımı, numune toplama ve analiz. Bu sistem, doku mühendisliği yapılmış çeşitli vasküler greftleri (örneğin, sentetik veya doğal kaynaklar, farklı mikro yapılar, farklı gözeneklilik) test edebilir. Kayma gerilimi ve çekme uygulamasını etkili bir şekilde ayırmak için biyoreaktörde kullanılan temel kavramlar aşağıdaki gibidir. İlk olarak, farklı pompa sistemleri kullanılarak kesme gerilimi ve gerilme kontrolü ayrılır. İkincisi, yapı iskeleleri, hesaplamalı olarak yönlendirilen boyutlarla içten dışa bir şekilde uyarılır. Akış, boru şeklindeki iskelenin dış yüzeyine bir akış pompası kullanılarak uygulanırken, silikon tüp ayrı bir gerinim pompası kullanılarak genişletilir ve desteğin çevresel gerilimi ayrı bir gerinim pompası kullanılarak genişletilir. Bu yöntem aynı zamanda damar yapısı ile ilgili çok sayıda analiz için de kullanılabilir. Sonuçlar, farklı kesme ve gerilim kombinasyonlarının doku mühendisliği yapılmış vasküler greft (TEVG) yapısının büyümesi ve yeniden şekillenmesi üzerindeki benzersiz etkilerini göstermektedir. İn vitro platformun toplanması yoluyla elde edilen bilgiler, yerinde TEVG'ler için yeni geliştirilen tasarım parametrelerini optimize etmeye yardımcı olur.
Duruş ve denge kontrolü statik ve dinamik durumlara ayrılabilir 24,25,26,27. Bunlar arasında dinamik denge yeteneği, vücudun ağırlık merkezini ve hareket halindeki duruşunu kontrol etme ve ayarlama yeteneğini ifade eder28. Spor biyomekaniği açısından bakıldığında, dinamik dengeyi korumak için ana gövde, alt ekstremitelerin ayak bileği eklemidir. Kalça eklemi dengeyi korumak için ana gövde olsaydı, düşmesi kolay olurdu. Zhou ve ark.29 beklenmedik bir uyaranın neden olduğu yürüyüş sonlandırmasında alt ekstremite biyomekaniğindeki değişiklikleri analiz etmektedir. Alt ekstremite hareketinin hareket verilerini yerinde toplamak için bir hareket analiz sistemi ve bir plantar basınç platformu kullanılır. Bu yöntem biyomekanik araştırmalarında, sanal gerçeklik sistemlerinde, robot uzaktan kumandasında, animasyon prodüksiyonunda, spor eğitiminde, ergonomi araştırmalarında, etkileşimli oyunlarda vb. kullanılabilir.
Kronik ayak bileği instabilitesi (KAE), ayak bileğinde kalıcı ağrı ve şişlik, ayak bileğinin yol vermesi ve hastaların postüral stabilitesini ciddi şekilde etkileyen, kendi bildirdiği sakatlık ile karakterize en yaygın spor yaralanmalarından biridir30,31. CAI, kinesiyolojik bantlama yoluyla geliştirilebilir. Yin ve ark.32 görme, propriyosepsiyon ve vestibüler duyunun postüral stabilitenin korunmasına katkılarını bilgisayar dinamik postürografi kullanarak analiz etmişlerdir. Duyusal organizasyon testleri (SOT), tek taraflı duruş (US), stabilite limiti (LOS), motor kontrol testi (MCT) ve adaptasyon testleri (ADT) yapıldı ve ölçüldü. Bu ölçümler, üç duyu sistemini koordine etme ve postüral stabiliteyi korumak için kas aktivasyonunu düzenleme sürecini gözlemlemek için yeni bir yöntem sağlar.
Multidisipliner kapsamlı araştırmalarla birleştirilen gelişmiş ölçüm ekipmanı ve yöntemleri, biyomalzemelerin ve biyomekaniğin gelişimini ve evrimini teşvik eder. Bu makale farklı test yöntemlerini tartışsa da, biyomalzemeler ve biyomekanik araştırmalarını hızlandırmak ve farklı alanlardaki araştırmacılar arasındaki iletişimi teşvik etmek için disiplinler arası ve kapsamlı bir araştırma yönü olarak çeşitli alanlardaki farklı araştırma yöntemlerini ve fikirlerini entegre etmek gerekmektedir.