Girinti ve Çekme Test Kullanarak İnsan Yumuşak Doku biyomekanik Karakterizasyonu
Summary
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.
Abstract
Rejeneratif tıp değiştirmek veya hasarlı ya da hastalıklı organları geri malzeme mühendisi hedefliyor. onlar yerine hedefliyoruz insan dokuları taklit etmelidir tür malzemelerin mekanik özellikleri; Gerekli anatomik şekli sağlamak için, malzeme kusur yerinde implante zaman yaşayacaksınız mekanik kuvvetleri sürdürmek gerekir. doku mühendisliği iskelelerinin mekanik özellikleri büyük bir öneme sahiptir rağmen işlenmiş malzemelerle restorasyonu maruz çok sayıda insan dokuları tamamen biyomekanik, özelliği edilmemiştir. Çeşitli basınç ve çekme protokolleri malzemelerin değerlendirilmesi için rapor edilmektedir, ancak büyük değişkenlik araştırmaların sonuçları arasında kıyaslama zordur. Dahası, mekanik test, genellikle yıkıcı doğa çalışmaları olduğunu komplike. Doku başarısızlık bir anlayış önemlidir iken, daha Physiol altında elastik ve viskoelastik özellikleri konusunda bilgi sahibi olmak da önemlidirogical yükleme koşulları.
Bu rapor, insan yumuşak doku sıkışma ve gerilme özelliklerini değerlendirmek için minimal zarar protokol sağlamaktır. Bu tekniğin örnekleri olarak, deri gerilme testi kıkırdak basınç testi anlatılmıştır. Bu protokoller, doğrudan mekanik özellikleri doğal doku benzer olduğundan emin olmak için, sentetik malzemelere uygulanabilir. Protokoller, uygun doku mühendisliği yerine geçen oluşturmak için bir kriter sağlayacak insan doğal dokusunun mekanik özelliklerini değerlendirmek için.
Introduction
çeşitli organ nakilleri başarısız ya da yaralı organların tedavi için hastalar giderek bekliyor. Ancak, uygun donör organların sıkıntısı, rejeneratif tıp son dönem organ yetmezliği olan hastalar için alternatif çözümler oluşturmak hedefliyor. Rejeneratif tıp gibi kıkırdak ve deri gibi yumuşak dokularda da dahil olmak üzere doku ikame olarak hareket etmek mühendislik malzemelerinin bu klinik ihtiyacını karşılamayı hedefliyor. Hasarlı dokuların yeniden başarılı bir malzeme oluşturmak için, yedek malzemesi 1-2 yerine gidiyor yerli dokusunun özelliklerini taklit etmelidir. Ameliyatla takılan kez, malzeme, doku defekti anatomik şekil vermeniz gerekecektir ve bu nedenle, malzemenin mekanik özellikleri 1 hayati önem taşımaktadır. Örneğin, auricular kıkırdağı yerine bir malzeme örten cilt 2 ile sıkıştırma önlemek için uygun mekanik özelliklere sahip olmalıdır. Benzer şekilde, bir malzeme burun araba yerinetilage 3 nefes sırasında çöken önlemek için yeterli mekanik özelliklere sahip olmanız gerekir. Bununla birlikte, implantasyon için malzeme üretim mekanik özellikleri önemine rağmen, çok az kanıt, farklı insan dokularında mekanik özelliklerin belirlenmesi konularına odaklanmıştır.
Mekanik testler rejimleri bükme Baskı, çekme kurmak için kullanılabilir veya bir dokunun kesilme özellikleri olabilir. Cilt son derece anizotropik, viskoelastik ve neredeyse sıkıştırılamaz malzeme 4-9 olduğunu. Genel olarak çıkarılan cilt yükü ve uzama 4-9 kaydedilir ise bir deri uygun şekilli şeridin her iki uçta da kavranır ve gerilir tek eksenli çekme yöntemleri kullanılarak test edilir.
Tüm yumuşak dokularda ana bileşeni doku arası su olduğu için, kıkırdak mekanik müdahale doku 10-11 arasında sıvı akışına kuwetli şekilde ilişkili olmasından. Böyle kıkırdak h gibi yumuşak dokulargeleneksel sıkıştırma testi kullanılarak test edilmiştir ave. Sıkıştırma test yöntemleri sınırlı, serbest ve girinti olarak en yaygın (Şekil 1), oldukça çeşitlidir. sınırlı sıkıştırma içinde, bir kıkırdak numune konur geçirimsiz, içi sıvı dolu gözenekli bir plaka ile iyi ve yüklendi. De gözeneksiz olduğu kıkırdak dikey yönde 12-13 olmasına rağmen akar. Serbest basınç, kıkırdak 12-13 baskın olarak, radyal olarak sıvı akışını zorlayarak, gözeneksiz bir bölme üzerine gözeneksiz bir plaka kullanılarak yüklenir. Girinti kıkırdak 12-13 biyomekanik özelliklerini değerlendirmek için en sık kullanılan yöntemdir. Bu, test edilen numunenin yüzeyinden daha küçük bir ucu, oluşur, bu numune üzerine aşağı getirilir. Girinti enabli bu girinti yerinde gerçekleştirilebilir Aslında, aşağıdakileri içeren sıkıştırma ile ilgili diğer yöntemler üzerinde birçok avantajı vardırTesti ng (Şekil 1) 12-13 daha fizyolojik olması.
Bir dokunun basınç ve çekme özelliklerini anlamak için, Young elastik modül tipik haliyle numune boyutunun 12 bağımsız olarak, basınç veya germe elastik direnci gösteren, stres-gerilme eğrisinin doğrusal bölümü analizi ile hesaplanır. Hem çekme ve basma test rejimleri yük veya deformasyon uygulanan ve her ikisi de bu tür parametrelerin oranına göre değişebilir. Şu anda, son derece zor yorumlamak veya farklı çalışmaların 6-13 sonuçlarını karşılaştırmak için yapar, doku mekaniği değerlendirmek için birçok farklı test protokolleri vardır. Ayrıca, birçok mekanik yöntemler şu anda yıkıma numune test ederek doku mekanik özelliklerini karakterize odaklanmak. Biz insan doğrudan, tahribatsız karşılaştırma sağlayan bir girinti ve çekme protokol göstermektedir hedefliyoruzyumuşak dokular ve doku mühendisliği yapıları.
Biz yine de henüz stres mekanik testler sınırlar sıkıştırma ve gerginlik Young elastik modülü elde bir yöntem ortaya koymaktadır. Örnek belirli bir değere ya da çekme ya gerilir, ve seçilen gerilim değeri ulaşıldıktan sonra, numune tüm veriler kaydedilir iken serbest bırakılır. Bu yöntem, sentetik malzeme ile doğrudan tatbik edilebilir, aynı test içinde doku, viskoelastik ve dinlenme özellikleri de yakalar. Biz girinti protokolü kullanılır cilt ve kıkırdak 14-16 dahil olmak üzere insan yumuşak dokuların, değerlendirmek. Kıkırdak girinti testi kullanılarak değerlendirildi ve cilt gerginliğini 14-16 test kullanılarak değerlendirilir. Araştırmacılar bu protokolleri hayata düşünebiliriz insan yumuşak dokularda benzer özelliklere sahip malzemeler mühendisi amaçlayan.
Protocol
Representative Results
Discussion
Çeşitli çekme ve girinti protokolleri insan yumuşak dokuları karakterize etmek yayınlanmıştır. Biz daha tanı ve tahribatsız olmayı hedefleyen başka bir yöntem, sağlamıştır. dönüştürücüler yerinden daha yüklemek için daha duyarlı olarak bu protokolde mekanik test uygulanan numuneler, yük yerine değiştirmesi ile sınırlıdır. Bu nedenle, deney çoğaltım doku ve sentetik malzemeler arasında daha kesin olabilir. Bu tekniği kullanarak, deri dokusu ve kıkırdak doku analiz etmek için bir çentik protokolü değerlendirmek için bir çekme protokolü gösterilmiştir. Her iki protokol uygulanması kolay ve basit ve insan yumuşak dokular ve doku mühendisliği yapılarının karakterizasyonu için değerlendirilebilir.
analizi için uygun olan bir gerilme-gevşeme eğrisi elde etmek için yöntem hayati adımlardan bir numune, test sırasında kaymaz sağlamaktır. Yeterli tespit requir olduğunuEd, ancak bu örneklerin herhangi bir strese neden olan ve batıcı bir kesme yüklenmesini engellemek için yüzeye dik sağlamak karşı dengelenmelidir. Doku bileşimi hem de boyut ve şekli örnekler arasında benzer kritiktir. kıkırdak için, tekrarlanabilir diseksiyon protokolü ve örnek boyutları kullanmak hayati önem taşımaktadır. Cilt numuneleri için, bir tekrar edilebilir numune elde etmek için tüm deri altı doku kaldırmak için hayati önem taşımaktadır. Uygun olması halinde, tüm numuneler için, numunenin koşulları, hidrasyon, oda sıcaklığında, ve çözme işlemi de dahil olmak üzere, aynı olmasını sağlamak için de önemlidir.
sunulan protokollere bazı sınırlamalar vardır. Çalışmalar deri ve kıkırdak deformasyon özellikleri numune yönelimi 13 bağımlı olduklarını ileri sürmüşlerdir. Cilt kadar geri 19. yüzyılda olduğu gibi, Langer ile gösteren 1861 yılında cildin doğal hatlara sahip olduğu anizotropik olduğu kabul edilmiştirgerilimi, Langer hatları 4 olarak anılacaktır. Cilt örnekleri karakterize Böylece, bir metodoloji önyargı 4 almaktan kaçınması Langer Hatları paralel veya dik tüm örnekleri yönlendirmek önemlidir. Kıkırdak da anizotropik özellikleri gösterir ve Langer hatlarına eşdeğer Hultkrantz hatları içerir, bu nedenle kıkırdak 12, 19 yüklendiği yönde göre farklı deforme olabilir. Nedenle, farklı yönlerde kıkırdak testleri için izin vermek için örnek boyutunu artırmak için önemlidir. doku biyomekanik özellikleri de yaş ve cinsiyet ile değişir gibi çalışmalar klinik ortama geçerliliğini korumak için bir temsilci hasta kohort ile yapılmalıdır. Ayrıca, bazı mekanik protokoller doku doku sonraki mekanik testler 20 için istikrarlı bir devlet olmasını sağlamak için döngüsel yükleme uğrar önkoşullanma, savunuyoruz. p Bununla birlikte, tam bir mekanizmaİşleme belirsizdir ve tutarlı ve tekrarlanabilir yanıt üretmek için gerekli döngü tam sayısı farklı çalışmalarda 20 değişir. Olsun veya olmasın düşünmelisiniz araştırmacı belirli biyomekanik testi 20 performans nedenini değerlendirdikten sonra önkoşullanma dahil etmek.
Epidermis, dermiş ve deri altı 4: Deri üç katmana ayrılır, kompleks, çok-tabakalı malzeme olup. Cilt dokusunun mekanik özellikleri en son in vivo değerlendirmelerinin 4 kullanılarak değerlendirilmiştir. Bununla birlikte, çekme test protokolleri çıkarılan cilt 4 deri biyomekanik anlamak için kullanılabilir. Bu tür testler sınır koşulları 4 tanımlanabilir çünkü, gerilme-şekil değiştirme ilişkileri modellemek için bilgi verebilir. Tipik haliyle, in vitro test rejimleri, in vivo sistem kullanımı ise, başarısızlığa malzemeyi tanımlamak için büyük zorlamalara kullanımıDüşük suşu 4 arasında değişmektedir. Gerilim çıkarılan cilt için biyomekanik değerleri karşılaştırıldığında, Mpa 4 2.9-150 arasında değişen, farklı çalışmalar arasında büyük bir değişkenlik var. konular arasında büyük farklılıklar nedeniyle doğal biyolojik çeşitliliği bekleniyor, ancak protokol rejimlerde farklılıklar da bu doğal biyolojik farklılıklar bileşik olabilir. fazla yükleme oranları daha yüksek bir sertlik ile sonuçlanan, sıvı dışarı akması için daha az zaman neden Örneğin, protokoller arasındaki yükleme oranlarında farklılıklar varyasyonu neden olur. Cilt dokusunun hazırlanması, çıkarılması ve taşıma protokolleri de mekanik özelliklerinde 4 farklılıklara neden olur. Test cilt için gösterilen Bu protokol, araştırmacılar deri dokusu karakterize etmek için alternatif bir yöntem sağlar. Cildin daha büyük bir anlayış için izin bir mekanik test cilt dokusunun elastik ve viskoelastik özelliklerini belirlemek için yeteneği dahil olmak üzere birkaç avantajı sağlarKısa bir miktarda elde edildi. Bundan başka, aynı test doğal deri benzer biyomekanik özellikleri olan yapıları imal etmek için doku mühendisliği değiştirmeler uygulanabilir.
Girinti test kıkırdak 21 biyomekanik anlamak için sınırlı sıkıştırma testi ile karşılaştırıldığında cazip bir seçenek sunar. Girinti kıkırdak fizyolojik yapısını korumak yeteneğine sahiptir ve bu nedenle klinik bir ortamda bu taklit değerler sağlar. girinti kullanılarak, hala alttaki kemiğe ise kıkırdak test etmek de mümkündür. Girinti, aynı zamanda in vivo kıkırdak fizyolojik test sağlar. İki kıkırdak yüzeyleri birbirine yaklaştığınızda basınç deformasyon 21, 17 oluştuktan sonra nedeniyle temas alanı altında suya temas "şişkinlik" alanını çevreleyen kenarları yanal olarak yerinden. Kıkırdak girinti, bir in ile yapılmalıdırBenzer şişkin izin vermek için kıkırdak örnek daha küçük bir yarıçap ile Denter. Indenter boyutu da belirsiz bir numunenin 22 parçası imiş gibi kıkırdak tepki sağlamak için en az 8 kat örnek büyüklüğü olmalıdır. Numune çapı yarıçap numune oluşturma bulunan herhangi bir kenar etkilerini ortadan kaldırır daha küçük bir kenar kullanma. Buna ek olarak, girinti örnek çıkarma zarar kıkırdak kusurları test kaynaklanan olası deneysel hataların önüne geçer. Girinti da kıkırdak küçük, ince parçalar izin gibi sınırlı sıkıştırma gibi derin numune hazırlama, içermez, 21 17 test edilecek. Ayrıca, girinti tahribatsız yöntem doğrulama ve onaylama çalışmaları sonrasında bir tanı aracı yapılmıştır gibi klinik ortamda potansiyel bir uygulama olduğu anlamına gelir.
Kullanıcı approp için emin olmalıdır girinti ile önemli varsayımlar vardıryaklaşımlarına yön ile sonuçlanır. Girinti yükleme kritik bir sınır şartı 23, 24 (yüzey uzakta indenter gelen deforme olmadığını, yani) indenter ve kıkırdak yüzeyi arasındaki sürekli temas gerektirir. Girinti yükleme ayrıca kıkırdak yüzeyi ve indenter arasındaki temas çentikleyici yüzeyi ile temas halinde olduğunu, yani (tahribatsız ama yüzey boyunca gitmez farz sınır koşulu kapsar; kıkırdak yüzeyi altında başarısız olmamalıdır indenter) 25-26. Araştırmalar, bu sınır koşulu kıkırdak yüzeyinde 25, 26 tatbik edildiği zaman zarar görmüş alanların boyayacaktır Hindistan mürekkebi, kullanılarak kontrol edilebilir olduğunu göstermiştir. Bir başka sınır koşulu batıcı numunesinin yüzeyine dik kıkırdak sıkıştırır varsayar. sıkıştırma dik yönelimi önemli bir sınır koşul olduğunuition kesme bileşenleri neden ve mekanik yükleme değişebilir kaymasına neden olabilir, halkalı yükleme kullanılarak, özellikle bir açıyla sıkıştırarak çünkü. Dikkatli test cihazları kurmak yoluyla Bu durum sağlanabilir.
özetlenen protokoller ilgi yumuşak doku için optimize edildikten sonra araştırmacılar ilgi doku dinamik test içine bakmak için, yararlı olacaktır. Örneklerin uygun döngüsel yükleme gibi taklit yürüyüş veya diğer tekrarlayan hareketler 27 gibi normal fizyolojik sınırlar ve davranışlarını taklit etmelidir. Özetle, bu rapor, insan dokuları değerlendirmek için basit mekanik test protokolleri göstermektedir. Bu protokolleri uygulamak daha doğal dokuyu taklit etmek doku mühendisliği yapıları sağlayan dokuların biyomekanik özellikleri hakkında önemli bilgiler verecektir.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
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.
Materials
| 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 |
References
- Chan, B. P., Leong, K. W. Scaffolding in tissue engineering: general approaches and tissue-specific considerations. Eur Spine J. 17, 467-479 (2008).
- Nimeskern, L., van Osch, G. J., Müller, R., Stok, K. S. Quantitative evaluation of mechanical properties in tissue-engineered auricular cartilage. Tissue Eng Part B Rev. 20, 17-27 (2014).
- Shaida, A. M., Kenyon, G. S. The nasal valves: changes in anatomy and physiology in normal subjects. Rhinology. 38, 7-12 (2000).
- Ní Annaidh, A., Bruyère, K., Destrade, M., Gilchrist, M. D., Otténio, M. Characterization of the anisotropic mechanical properties of excised human skin. J Mech Behav Biomed Mater. 5, 139-148 (2012).
- Ottenio, M., Tran, D., Ní Annaidh, A., Gilchrist, M. D., Bruyère, K. Strain rate and anisotropy effects on the tensile failure characteristics of human skin. J Mech Behav Biomed Mater. 41, 241-250 (2015).
- Silver, F. H., Freeman, J. W., DeVore, D. Viscoelastic properties of human skin and processed dermis. Skin Res Technol. 7, 18-23 (2001).
- Karimi, A., Navidbakhsh, M. Measurement of the uniaxial mechanical properties of rat skin using different stress-strain definitions. Skin Res Technol. 21, 149-157 (2015).
- Wilkes, G. L., Brown, I. A., Wildnauer, R. H. The biomechanical properties of skin. CRC Crit Rev Bioeng. 1, 453-495 (1973).
- Hussain, S. H., Limthongkul, B., Humphreys, T. R. The biomechanical properties of the skin. Dermatol Surg. 39, 193-203 (2013).
- Smith, C. D., Masouros, S., Hill, A. M., Wallace, A. L., Amis, A. A., Bull, M. J. A. Mechanical testing of intra-articular tissues. Relating experiments to physiological function. Current orthopaedics. 22, 341-348 (2008).
- Korhonen, R. K., S, S. a. a. r. a. k. k. a. l. a., Klika, V. . Biomechanics and Modeling of Skeletal Soft Tissues, Theoretical Biomechanics. , (2011).
- Lu, X. L., Mow, V. C. Biomechanics of articular cartilage and determination of material properties. Med Sci Sports Exerc. 40, 193-199 (2008).
- Xia, Y., Zheng, S., Szarko, M., Lee, J. Anisotropic Properties of Bovine Nasal Cartilage. Micros Res Tech. 75, 300-306 (2012).
- Wood, J. M., Soldin, M., Shaw, T. J., Szarko, M. The biomechanical and histological sequelae of common skin banking methods. J Biomech. 47, 1215-1219 (2014).
- Griffin, M. F., Premakumar, Y., Seifalian, A. M., Szarko, M., Butler, P. E. Biomechanical characterisation of the human nasal cartilages; implications for tissue engineering. J Mater Sci Mater Med. 27, 11 (2016).
- Griffin, M. F., Premakumar, Y., Seifalian, A. M., Szarko, M., Butler, P. E. Biomechanical chacterisation of human auricular cartilages; implications for tissue engineering. Annals of biomedical Engineering. , (2016).
- Shrive, N. G., Frank, C. B. Articular Cartilage. Biomechanics of the Musculo-Skeletal System. , 86-106 (1999).
- Fung, Y. C. . Biomechanics: Mechanical Properties of Living Tissues. 568, (1993).
- Hultkrantz, W. . Ueber die Spaltrichtungen der Gelenkknorpel. Verhandlungen der Anatomischen Gesellschaft. , (1898).
- Cheng, S., Clarke, E. C., Bilston, L. E. J. The effects of preconditioning strain on measured tissue properties. Biomech. 42, 1360-1362 (2009).
- Mow, V. C., Ratcliffe, A., Mow, V. C., Hayes, W. C. Structure and Function of Articular Cartilage and Meniscus. Basic Orthopaedic Biomechanics. , 113-178 (1997).
- Tavakol, K. . Proteoglycan & Collagen degrading activities of neural proteases from fresh and cryopreserved articular cartilage explants and the chondrocytes. An in vitro biochemical study. , (1989).
- Smeathers, J. E., Vincent, J. F. V. Cartilage and Joints. Biomechanics: Materials. , 99-131 (1992).
- Smith, C. L., Mansour, J. M. Indentation of an Osteochondral Repair: Sensitivity to Experimental Variables and Boundary Conditions. J Biomech. 33, 1507-1511 (2000).
- Niederauer, G. G., Niederauer, G. M., Cullen, L. C., Athanasiou, K. A., Thomas, J. B., Niederauer, M. Q. Correlation of Cartilage Stiffness to Thickness and Level of Degeneration Using a Handheld Indentation Probe. Ann Biomed Eng. 32, 352-359 (2004).
- Ball, S. T., Amiel, A. D., Willaims, S. K., Tontz, W., Chen, A. C., Sah, R. L., Bugbee, W. D. The Effects of Storage on Fresh Human Osteochondral Allografts. Clin Orthop Relat Res. 418, 246-252 (2004).
- Park, S., Hung, C. T., Ateshian, G. A. Mechanical response of bovine articular cartilage under dynamic unconfined compression loading at physiological stress levels. Osteoarthritis Cartilage. 12, 65-73 (2004).
