Tissue biomechanics is important for maintaining cell shape and function and for determining phenotype. This report demonstrates non-destructive mechanical protocols for characterizing elastic and viscoelastic properties of human soft tissues, which can be directly applied to tissue-engineered substrates to allow a close matching of engineered materials to native tissue.
רפואת רגנרטיבית שואפת מהנדס חומרים להחליף או להחזיר איברים פגומים או חולים. התכונות המכאניות של חומרים כאלה צריכים לחקות את הרקמות האנושיות הם מכוונים להחליף; כדי לספק את הצורה האנטומית הנדרשת, החומרי חייב להיות מסוגל לקיים את הכוחות המכאניים הם חווים כאשר מושתלים באתר הפגם. למרות התכונות המכאניות של פיגומי רקמות מהונדסות הן בעלי חשיבות רבה, רקמות אנושיות רבות כי לעבור שיקום עם חומרים מהונדסים שלא היו מלא biomechanically מאופיין. מספר פרוטוקולי דחיסה ו מתיחה מדווחות להערכת חומרים, אבל עם שונות גדולות שקשה להשוות את התוצאות בין מחקרים. שמסבך עוד יותר את המחקרים טבע לעתים קרובות ההרסני של בדיקות מכאניות. בעוד הבנה של כישלון רקמות חשובה, חשוב גם להיות בעל ידע של תכונות אלסטיות viscoelastic תחת יותר Physiolתנאי טעינה ogical.
דו"ח זה נועד לספק פרוטוקול הרסני מינימאלי להעריך את מאפייני דחיסה ו מתיחה של רקמות רכות אדם. כדוגמאות בטכניקה זו, בדיקות מתיחה של העור ואת בדיקות דחיסה של סחוס מתוארים. פרוטוקולים אלה יכולים להיות מיושמים גם ישירות חומרים סינטטיים על מנת להבטיח כי התכונות המכאניות דומות רקמות ילידים. פרוטוקולים כדי להעריך את התכונות המכאניות של רקמות ילידי אדם ייאפשרו אמת מידה שבאמצעותו ליצור תחליפי רקמות מהונדסות מתאימים.
חולים מחכים יותר ויותר בנושא השתלות איברים שונות לטיפול באיברים כושלים או נפצעו. עם זאת, עם המחסור באיברים תורמים מתאימים, רפואת רגנרטיבית היא מכוונת כדי ליצור פתרונות חלופיים עבור חולים עם כשל איברים סופנית. רפואה רגנרטיבית שואפת לענות על הצורך הקליני ידי הנדסת חומרים לפעול כתחליף רקמות, כולל רקמות רכות, כגון סחוס ועור. כדי ליצור חומר מוצלח לשחזר רקמות שנפגעו, חומר ההחלפה צריך לחקות את המאפיינים של רקמות הילידים זה הולך להחליף 1-2. לאחר מושתל בניתוח, החומר יצטרך לספק צורה האנטומית לפגם רקמות ובכך, התכונות המכאניות של החומר הן חיוניות 1. לדוגמה, חומר החלפת סחוס אזני צריך את תכונות מכניות הנאותים כדי למנוע דחיסה ידי שמעליה העור 2. באופן דומה, חומר להחליף את מכונת אףtilage תצטרך לקבל תכונות מכניות נאותה כדי למנוע התמוטטות במהלך הנשימה 3. עם זאת, למרות החשיבות של תכונות מכאניות כאשר ייצור חומרי להשתלה, מעט עדויות התמקדו באפיון התכונות המכאניות של רקמות אנושיות שונות.
ניתן להשתמש משטרי בדיקה מכאניים להקים את, מתיחת הדחיסה, כיפוף, או נכסי גזירה של רקמות. העור הוא, viscoelastic איזוטרופי מאוד, חומר דחיס כמעט 4-9. בדרך כלל עור ניכר נבחן באמצעות מתודולוגיות מתיחת uniaxial, שבו נבנו מסלול כהוגן בצורה של עור הוא אחז בשני הקצוות ומתח בעוד העומס וההרחבה נרשמים 4-9.
מאז המרכיב העיקרי של כל רקמות רכות מי ביניים, התגובה המכאנית של סחוס קשורה מאוד את זרימת הנוזל דרך הרקמות 10-11. רקמות רכות כגון h סחוסותעיף נבדק באופן מסורתי באמצעות בדיקות דחיסה. השיטות לבדיקת דחיסה הן מגוונות למדי, עם מוגבל, מוגבלים בשטחם, מהשוליים להיות הנפוץ ביותר (1 איור). בתוך דחיסה מוגבלת, מדגם סחוס מושם אטום, מלא נוזל היטב שנטען באמצעות צלחת נקבובית. מאז גם הוא שאינם נקבובי, לזרום אם כי הסחוס הוא בכיוון האנכי 12-13. בשנת דחיסה מוגבלים בשטחם, הסחוס נטען באמצעות צלחת שאינו נקבובי על תא שאינו נקבובי, מה שאילץ את זרימת הנוזל להיות רדיאלי בעיקר 12-13. זחה היא השיטה הנפוצה ביותר בשימוש על מנת לאמוד את המאפיינים ביומכנית של סחוס 12-13. זה מורכב של indenter, קטן יותר משטח של הדגימה הנבדקת, כי הוא הביא למטה על הדגימה. יש הזחה יתרונות רבים על פני שיטות אחרות של דחיסה, לרבות העובדה הכניסה שניתן לבצע באתרו, enabling המבחן כדי להיות יותר פיזיולוגיים (איור 1) 12-13.
כדי להבין את מאפייני דחיסה ו מתיחה של רקמות, מודולוס האלסטיות של יאנג מחושב בדרך כלל על ידי ניתוח החלק הליניארי של עקומת לחץ-הזן, המציין את התנגדות אלסטית דחיסה או מתח, בלי קשר דגימת גודל 12. שני משטרים המתיחים ובדיקת דחיסה יכולים להשתנות בהתאם לעומס או דפורמציה שיושמה השיעור של שני פרמטרים כאלה. נכון לעכשיו, יש הרבה פרוטוקולי בדיקות שונים כדי להעריך מכניקת רקמות, מה שהופך את זה מאוד קשה לפרש או להשוות תוצאות ממחקרים שונים 6-13. יתר על כן, שיטות מכאניות רבות כרגע להתמקד באפיון התכונות המכאניות של הרקמות ידי בדיקת הדגימה לאבדון. אנו שואפים להדגים פרוטוקול הפנמה מתיח המספק השוואה ישירה, בלתי הרסנית של אדםרקמות רכות ובונה מהונדסים-רקמה.
אנו להדגים שיטה המגבילה את הבדיקות המכאניות ללחץ ועדיין משיגה מודולוס האלסטיות של צעירי דחיסה ומתח. המדגם הוא הדגיש גם במתח או דחיסת לערך מסוים, ופעם ערך המתח נבחר הושג, המדגם מותר להירגע בזמן שאתם כל הנתונים שנרשמו. שיטה זו לוכדת הן המאפיינים viscoelastic והרפיה של רקמות בתוך באותה בדיקה, אשר יכול להיות מיושם ישירות חומר סינתטי. השתמשנו פרוטוקול הזח להעריך רקמות רכות אדם, כוללים עור וסחוס 14-16. סחוס נבחן באמצעות בדיקות הפנמת עור מוערך באמצעות מתח בדיקות 14-16. חוקר במטרה מהנדס חומרים עם תכונות דומות לאלו של רקמות רכות אדם יכול לשקול יישום הפרוטוקולים הללו.
מתיחת מהשוליים מספר פרוטוקולים פורסמו לאפיין רקמות רכות אדם. סיפקנו שיטה אחרת, אשר שואפת להיות יותר אבחון ולא הרסנית. הדגימות עוברות בדיקות מכאניות בפרוטוקול זה מוגבלים לפי עומס ולא על ידי עקירה, כמו מתמרים רגישים יותר מאשר לטעון לעקירה. לכן, רפרודוקציות של הניסוי יכולה להיות מדויקת יותר על פני רקמות וחומרים סינטטיים. באמצעות טכניקה זו, הפגנו פרוטוקול מתיח להערכת רקמת עור פרוטוקול כניסה לניתוח רקמת סחוס. פרוטוקולי שניהם קלים ופשוט ליישום יכולים להיחשב לאפיון של רקמות רכות אדם בונה מהונדס-רקמה.
אחד הצעדים החיוניים של מתודולוגיה לקבל עקומת מתח והרפיה מתאימה לניתוח הוא להבטיח כי המדגם לא יחליק במהלך בדיקה. קיבעון נאות הוא required, אבל זה חייב להיות מאוזן על גרימת כל לחץ על הדגימות וההבטחה כי indenter הוא בניצב לפני השטח כדי למנוע טעינת גזירה. זה קריטי, כי הרכב וכן הגודל והצורה של הרקמה דומה בין דגימות. עבור סחוס, הוא חיוני כדי להשתמש בפרוטוקול לנתיחת דיר ממדים מדגמים. לקבלת דוגמיות עור, הוא חיוני, כדי להסיר את כל הרקמה התת עורית על מנת לקבל מדגם דיר. כמו כן, חשוב להבטיח כי עבור כל הדגימות, תנאי הדגימה זהים, כולל הידרציה, בטמפרטורת החדר, ואת תהליך ההפשרה, אם יש צורך בכך.
ישנן מספר מגבלות על הפרוטוקולים שהוצגו. מחקרים הראו כי מאפייני דפורמציה של עור וסחוס תלויים אורינטצית דגימת 13. עור הוכר להיות איזוטרופי לאחור ככל המאה ה -19, עם לנגר הוכחת בשנת 1861 כי העור יש קווים טבעייםמתח, המכונה קווי לנגר 4. לפיכך, כאשר המאפיינים דגימות עור, חשוב להתמצא בכל דגימות במקביל או בניצב קווי לנגר כדי למנוע החדרת הטיה מתודולוגיה 4. סחוס גם מציג מאפייני איזוטרופי ומכיל קווי Hultkrantz, אשר שקולים קו לנגר, כך הסחוס יכול לעוות באופן שונה בהתאם לכיוון שבו הוא טעון 12, 19. לכן, חשוב להגדיל את גודל המדגם על מנת לאפשר בדיקה של סחוס לכיוונים שונים. כפי נכסים ביומכנית של רקמות גם להשתנות עם גיל ומין, מחקרים צריכים להתבצע אצל קבוצה חולה נציג לשמור תוקף הקליני. יתר על כן, פרוטוקולים מכאניים כמה תומכים נפשיים מראש, שבו הרקמה עוברת העמסה מחזורית על מנת להבטיח כי הרקמה נמצאת במצב יציב לבדיקות מכאניות עוקבות 20. עם זאת, המנגנון המדויק של pשפוץ ברור ואת המספר המדויק של מחזורי הדרושים כדי לייצר תגובה עקבית הדיר משתנה במחקרים שונים 20. החוקר צריך לשקול אם או לא לכלול נפשי מראש לאחר הערכת הסיבה לביצוע הבדיקה ביומכנית הספציפית 20.
עור הוא חומר מורכב, רב-שכבתי, מחולק לשלושה רבדים עיקריים: האפידרמיס, הדרמיס, ו hypodermis 4. התכונות המכאניות של רקמות עור לאחרונה הוערכו באמצעות בהערכות vivo 4. עם זאת, פרוטוקולים של בדיקות מתיחה יכולים להיות מנוצלים כדי להבין את ביומכניקה העור של נכרת עור 4. בדיקות כאלה יכולים לספק מידע להדגמת יחסי מתח-זן, מאז תנאי השפה יכולים להיות מוגדרים 4. בדרך כלל, במבחנת משטרי בדיקות להשתמש זנים גבוהים לאפיין את החומר לכישלון, ואילו שימוש מערכות vivo בזן נמוך נע 4. בעת עריכת השוואות ערכי ביומכנית לעור נכרת במתח, קיימת שונות גדולה בין מחקרים שונים, החל 2.9-150 מגפ"ס 4. הבדלים גדולים בין הנושאים צפויים עקב וריאציה ביולוגית טבעית, אבל הבדלים במשטרי פרוטוקול גם יכולים מתחם הבדלים ביולוגיים הטבעיים אלה. לדוגמא, הבדלים בשיעורי טעינה בין הפרוטוקולים יגרמו וריאציה, שיעורי העמסה גדולים לגרום פחות זמן עבור הנוזל לזרום החוצה, וכתוצאה מכך קשיחות גבוהה. ההכנה, כריתה, ופרוטוקולי הטיפול של רקמת העור גם יגרמו הבדלים בתכונות המכאניות 4. פרוטוקול זה הוכיח לעור בדיקות מספק שיטה חלופית עבור חוקרים לאפיין רקמת עור. היא מספקת מספר יתרונות, כולל היכולת לזהות את תכונות אלסטיות viscoelastic של רקמת עור במבחן אחד מכאני, המאפשר הבנה טובה יותר של העורבתוך פרק זמן קצר. יתר על כן, באותה הבדיקה יכולה להיות מיושמת על תחליפי רקמות מהונדסות כדי לייצר מבנים בעלי תכונות ביומכנית דומות כמו עור ילידים.
בדיקות זחות מספקות אופציה אטרקטיבית לעומת בדיקות דחיסה מרותקות להבנת ביומכניקה של סחוס 21. יש הזחה את היכולת לשמר את המבנה הפיזיולוגי של הסחוס ובכך מספק ערכים מחקים אלה של הגדרה קלינית. באמצעות כניסה, אפשר גם לבדוק את הסחוס תוך שהיא עדיין מחוברת לעצם הבסיסי. הזחה גם מאפשר לבדיקות פיזיולוגיות של הסחוס כפי in vivo. כאשר שני משטחי סחוס להתקרב זה לזה, את הקצוות סביב שטח מגע "בליטה" בשל מים מתחת לאזור הקשר שנעקרו רוחבי לאחר דפורמציה הדחיסה מתרחשת 17, 21. כניסת סחוס חייבת להתנהל עם בdenter עם רדיוס קטן יותר מדגם הסחוס כדי לאפשר בולטות דומות. גודלו של indenter צריך להיות גם לפחות 8 פעמים את גודל המדגם על מנת להבטיח כי הסחוס מגיב כאילו היה חלק מדגם בלתי מוגדר 22. שימוש indenter קטן בהרבה רדיוס קוטר המדגם מבטל תופעות קצה נוכחיות בבריאת דגימה. בנוסף, כניסה תמנע שגיאות ניסיון אפשריות שנגרמו על ידי בדיקת פגמי סחוס הפגום על ידי מיצוי מדגם. זחה גם אינה כרוכה הכנת מדגם עמוקה, כגון דחיסה מוגבלת, מה שמאפשר חתיכות קטנות, דקה של סחוס להיבדק 17, 21. יתר על כן, השיטה שאינה הרסנית של זחה אומרת כי יש לו פוטנציאל יישום במסגרת הקלינית ככלי אבחונים לאחר מחקרי אימות ואישור בוצעו.
ישנן הנחות מפתח עם הזחה שהמשתמש חייב להבטיח עבור appropתוצאות riate. כתנאי גבול קריטי טעינת הכניסה דורש קשר רצוף בין indenter ואת משטח הסחוס (כלומר, כי פני השטח לא לעוות הרחק indenter) 23, 24. טעינת זחה כוללת גם מצב בגבול להניח כי הקשר בין משטח הסחוס ואת indenter הוא בלתי הרסני (כלומר, כי indenter נמצא בקשר עם פני השטח, אך לא לעבור את השטח; משטח הסחוס לא צריך להיכשל תחת indenter) 25 – 26. מחקרים הראו כי המצב בגבול זה ניתן לאמת באמצעות שימוש בדיו, אשר יהיה כתם האזורים שנפגעו כאשר מיושם על פני השטח סחוס 25, 26. כתנאי גבול נוספים מניחים כי indenter דוחס את הסחוס בניצב לפני השטח של המדגם. האורינטציה בניצב של הדחיסה היא מנצח גבול חשובition בגלל דחיסה בזווית, במיוחד אם באמצעות העמסה מחזורית, עלול לגרום חלקה, אשר עשוי לגרום רכיבי גז ולשנות את ההעמסה המכאנית. מצב זה עלול להיות מובטח באמצעות ציוד בדיקה זהיר להגדיר.
לאחר הפרוטוקולים סכמו ממוטבים עבור הרקמות הרכות של עניין, זה יהיה שימושי לחוקרים להסתכל לתוך בחינה דינאמית של הרקמה של עניין. טעינה מחזורית מתאימה של דגימות צריכה לחקות גבולות פיסיולוגיים והתנהגות, כגון הליכה מחקה או תנועות חוזרות ונשנות אחרות 27. לסיכום, הדו"ח הזה מוכיח פרוטוקולי בדיקה מכאנית פשוטים להעריך ברקמות אנושיות. יישום פרוטוקולים אלה יספקו מידע חשוב על מאפייני ביומכנית של רקמות, מה שמאפשר בונה רקמות מהונדסות כדי טוב יותר לחקות את רקמות הילידים.
The authors have nothing to disclose.
We would like to thank the funding from Medical Research Council and Action Medical Research, which provided MG with a clinical fellowship, GN 2339, to conduct this work.
Digitial Vernier Calipers | Machine Mart | 40218046 | Digitial vernier caliper is used to measure sample thickness. |
Water Bath | Cole Parmer | UY-12504-94 | StableTemp Digital Water Bath Flask Holder used to defrost tissues samples if they are frozen. |
Mach-1 Material Testing Machine | Biomomentum | V500c | Mechanical Testing Machine used to test the mechancial properties of the tissues. |
Scalpel Blade | VWR | 233-5335 | Scalpel blades using to cut and dissect the tissues. |
Forceps | VWR | 470007-554 | Forceps used to dissect the tissues. |
Phosphate Buffered Saline (PBS) pH 7.2 | Life Technologies | 20012019 | PBS is used to hydate the tissue samples |