Caratterizzazione biomeccanica di morbidi tessuti umani usando una indentazione e prove di trazione

Diversi protocolli di trazione e di rientro sono stati pubblicati per caratterizzare i tessuti molli umani. Abbiamo fornito un altro metodo, che mira ad essere più diagnostico e non distruttivo. I campioni sottoposti a prove meccaniche in questo protocollo sono limitati dal carico anziché spostamento, come trasduttori sono più sensibili a caricare rispetto allo spostamento. Pertanto, riproduzioni dell'esperimento possono essere più precisa di tutti i tessuti e materiali sintetici. Usando questa tecnica, abbiamo dimostrato un protocollo di trazione per valutare tessuto cutaneo e un protocollo indentazione per analizzare tessuto cartilagineo. Entrambi i protocolli sono facili e semplici da implementare e potrebbero essere prese in considerazione per la caratterizzazione dei tessuti molli umani e costrutti tissutale.

Uno dei passi fondamentali della metodologia per ottenere una curva di sollecitazione-rilassamento adatto per l'analisi è quello di garantire che il campione non scivoli durante il test. fissaggio adeguato è required, ma questo deve essere bilanciato con causare sollecitazioni sui provini e garantire che il penetratore è perpendicolare alla superficie per evitare qualsiasi sollecitazione di taglio. È fondamentale che la composizione nonché le dimensioni e la forma del tessuto sono simili tra i campioni. Per la cartilagine, è fondamentale utilizzare un protocollo ripetibile dissezione e le dimensioni del campione. Per i campioni di pelle, è fondamentale rimuovere tutto il tessuto sottocutaneo per ottenere un campione ripetibile. È altresì importante garantire che per tutti i campioni, i campioni sono identiche condizioni, compresa idratazione, temperatura ambiente, e il processo di scongelamento, se del caso.

Ci sono alcune limitazioni ai protocolli presentati. Gli studi hanno suggerito che le caratteristiche di deformazione della pelle e della cartilagine dipendono l'orientamento del campione ^13. Pelle è stato riconosciuto di essere anisotropico nel lontano 19 ^° secolo, con Langer dimostrando nel 1861 che la pelle ha linee naturalidi tensione, denominate linee Langer ^4. Così, quando la caratterizzazione campioni di pelle, è importante orientare tutti i campioni parallelo o perpendicolare alle linee Langer evitare di introdurre una polarizzazione metodo ^4. Cartilagine mostra anche proprietà anisotrope e contiene linee Hultkrantz, che sono equivalenti a linee Langer, quindi la cartilagine può deformare in modo diverso secondo la direzione in cui viene caricato ^{12, 19.} Pertanto, è importante aumentare la dimensione del campione per consentire la verifica di cartilagine in direzioni diverse. Come proprietà biomeccaniche dei tessuti variano con l'età e il sesso, gli studi devono essere eseguiti con una coorte rappresentante dei pazienti a mantenere la validità per l'impostazione clinica. Inoltre, alcuni protocolli meccanici sostengono precondizionamento, dove il tessuto subisce carico ciclico per garantire che il tessuto è in uno stato costante per i successivi test meccanico ^20. Tuttavia, l'esatto meccanismo della pricondizionamento non è chiara e l'esatto numero di cicli necessari per produrre una risposta coerente e ripetibile varia nei diversi studi ^20. Il ricercatore dovrebbe considerare se includere o meno precondizionamento dopo aver valutato il motivo per eseguire il test biomeccanico specifico ^20.

La pelle è un complesso, materiale multistrato, diviso in tre strati principali: l'epidermide, derma, ipoderma e ^4. Le proprietà meccaniche del tessuto della pelle sono state recentemente valutato utilizzando valutazioni in vivo ^4. Tuttavia, i protocolli di prove di trazione possono essere utilizzati per comprendere la biomeccanica della pelle di pelle asportata ^4. Tali test possono fornire informazioni per modellare relazioni sforzo-deformazione, poiché le condizioni al contorno possono essere definite ^4. Tipicamente, in vitro regimi di prova usano ceppi alti per caratterizzare il materiale al fallimento, considerando che in vivo sistemi usobassa tensione varia ^4. Quando si confrontano i valori biomeccaniche per la pelle asportata in tensione, vi è una grande variabilità tra studi diversi, che vanno da 2.9-150 MPa ^4. Le grandi differenze tra i soggetti sono attesi a causa di variazioni biologiche, ma le differenze tra i regimi di protocollo possono anche aggravare queste differenze biologiche naturali. Ad esempio, le differenze nei tassi di caricamento tra protocolli causare variazioni, come una maggiore velocità di carico causano meno tempo per il fluido di defluire, con un conseguente maggiore rigidezza. I protocolli di preparazione, l'escissione, e la manipolazione del tessuto cutaneo anche causare differenze nelle proprietà meccaniche ^4. Questo protocollo dimostrata per la pelle test fornisce un metodo alternativo per i ricercatori di caratterizzare tessuto cutaneo. Esso fornisce alcuni vantaggi, tra cui la capacità di identificare le proprietà elastiche e viscoelastiche del tessuto cutaneo in una prova meccanica, consentendo una maggiore comprensione della pellein un breve lasso di tempo. Inoltre, lo stesso test può essere applicato alle sostituzioni tissutale per produrre costrutti con simili proprietà biomeccaniche come pelle nativa.

Test Rientro fornisce un'opzione attraente rispetto ai test di compressione confinata per capire la biomeccanica della cartilagine ^21. Rientro ha la capacità di conservare la struttura fisiologica della cartilagine e quindi fornisce i valori che imitano quelle di un ambiente clinico. Utilizzando indentazione, è anche possibile testare la cartilagine mentre ancora attaccata all'osso sottostante. Rientro consente inoltre di test fisiologici di cartilagine in vivo. Quando due superfici di cartilagine si avvicinano, i bordi che circondano la zona di contatto "rigonfiamento" a causa dell'acqua sotto la zona di contatto essendo spostate lateralmente dopo che si verifica la deformazione di compressione ^{17, 21.} Cartilagine di rientro deve essere condotta con un aDImmettere con un raggio inferiore rispetto al campione cartilagine per consentire rigonfiamento simili. La dimensione del penetratore dovrebbe essere almeno 8 volte la dimensione del campione per garantire che la cartilagine reagisce come se fosse parte di un campione indefinita ^22. Utilizzando un penetratore molto minore del raggio del diametro di esempio elimina eventuali effetti di bordo presenti nella creazione campione. Inoltre, il rientro evita possibili errori sperimentali causati da testare difetti della cartilagine danneggiata per estrazione del campione. Indentazione anche non comporta la preparazione del campione profondo, come la compressione confinata, consentendo piccoli pezzi sottili di cartilagine da testare ^{17, 21.} Inoltre, il metodo non distruttivo di indentazione significa che ha un potenziale applicazione in ambito clinico come sono stati effettuati strumento diagnostico dopo studi di convalida e verifica.

Ci sono ipotesi chiave con rientro che l'utente deve garantire per approprisultati riate. Una condizione critica di confine in loading indentazione richiede contatto costante tra il penetratore e la superficie della cartilagine (cioè, che la superficie non deforma dal penetratore) ^{23, 24.} Indentazione carico comprende anche la condizione al contorno assunto che il contatto tra la superficie della cartilagine e il penetratore è non distruttivo (cioè, che il penetratore è in contatto con la superficie, ma non passa attraverso la superficie, la superficie della cartilagine non deve cedere sotto la penetratore) ^{25 – 26.} Studi hanno dimostrato che questa condizione di limitazione può essere verificata attraverso l'uso di inchiostro di china, che macchiare aree danneggiate quando applicato alla superficie cartilaginea ^{25, 26.} Un'ulteriore condizione al contorno presuppone che il penetratore comprime la cartilagine perpendicolare alla superficie del campione. L'orientamento perpendicolare della compressione è un importante cond boundaryition perché la compressione ad angolo, soprattutto se si usa un carico ciclico, può causare slittamento, che potrebbe indurre componenti tranciatura e cambiare il carico meccanico. Questa condizione può essere assicurata attraverso un attento apparecchiature di prova istituito.

Dopo i protocolli sintetizzati sono stati ottimizzati per il tessuto molle di interesse, sarebbe utile per i ricercatori di studiare collaudo dinamico del tessuto di interesse. Carico ciclico appropriato di campioni dovrebbe imitare normali limiti e comportamenti fisiologici, come ad esempio mimando camminare o altri movimenti ripetitivi ^27. In sintesi, questo rapporto dimostra protocolli di prova meccaniche semplici per valutare tessuti umani. L'attuazione di queste protocolli fornirà informazioni chiave sulle caratteristiche biomeccaniche dei tessuti, permettendo costrutti tissutale per imitare al meglio il tessuto nativo.