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.
재생 의학은 대체하거나 손상되거나 병든 장기를 복원하는 물질을 설계하는 것을 목표로하고있다. 그들은 대체하는 것을 목표로하고있는 인체 조직을 모방해야 이러한 재료의 기계적 특성; 필요한 해부학 적 형상을 제공하는 재료는 결함 부위에 이식 할 때 발생할 것이다 기계적 힘을 유지할 수 있어야한다. 조직 공학적 지지체의 기계적 특성이 매우 중요하지만, 엔지니어링 재료로 복원을받을 사람의 조직을 완전히 생체 역학적 특징되지 않았다. 여러 압축 및 인장 프로토콜 물질을 평가하기 위해보고되지만 큰 변동과 그 사이의 연구 결과를 비교하는 것은 곤란하다. 또한 기계적 시험의 자주 파괴적인 특성은 연구를한다 복잡. 조직 장애의 이해가 중요한 반면,보다 physiol하에 탄성 및 점탄성 특성의 지식을 갖는 것도 중요ogical 하중 조건.
이 보고서는 인간 연조직의 압축 및 인장 특성을 평가하기위한 최소한의 파괴적인 프로토콜을 제공하는 것을 목적으로한다. 이러한 기술로서는, 피부의 인장 시험 연골의 압축 시험에 대하여 설명한다. 이러한 프로토콜은 직접 기계적 특성이 원래의 조직과 유사되도록 합성 물질에 적용될 수있다. 프로토콜에 적합한 조직 공학적 대체를 생성하여 벤치 마크를 수 있도록 인간의 기본 조직의 기계적 특성을 평가한다.
다양한 장기 이식 실패 또는 손상된 장기를 치료하기 위해 환자는 점점 기다리고 있습니다. 그러나, 적절한 공여 장기의 부족으로, 재생 의학은 말기 장기 부전 환자에 대한 대안 솔루션을 개발하는 것을 목표로한다. 재생 의학은 연골과 피부와 같은 부드러운 조직을 포함하여 조직의 대체, 역할을 엔지니어링 재료에 의해이 임상 적 필요를 충족하는 것을 목표로하고있다. 손상된 조직을 복원하는 성공적인 재료를 만들려면 대체 물질은 1-2을 대체 할 것입니다 기본 조직의 특성을 모방한다. 외과 적으로 이식 된 후, 재료는 티슈 결함 해부학 적 형태를 제공 할 필요가 있으므로, 재료의 기계적 특성은 한 중요하다. 예를 들어, 이개 연골 대체 재료를 덮고있는 피부 (2)에 의해 압축을 방지하기 위해 적절한 기계적 특성을 가져야한다. 마찬가지로, 물질은 코 자동차를 대체하는tilage 3 호흡하는 동안 붕괴를 방지하기 위해 적절한 기계적 특성을 가지고해야합니다. 그러나, 이식 재료의 제조 기계적 특성의 중요성에도 불구하고, 증거는 다른 인간 조직의 기계적 특성을 특성화에 초점을 맞추고있다.
기계적 시험 체제는 벤딩 압축 인장을 설정하는 데 사용하거나 조직 전단 등록 할 수있다. 스킨이 높은 이방성, 점탄성, 거의 4-9 비압축성 재료이다. 일반적으로 절제 피부는 부하 및 확장이 4-9를 기록하는 동안 피부의 적절한 모양의 스트립은 양단에 사로 잡혔다 및 연신 단축 인장 방법을 사용하여 시험한다.
모든 연부 조직의 주요 구성 요소가 삽입 물이기 때문에, 연골의 기계적 응답은 조직 10-11을 통한 유체의 흐름에 크게 관련된다. 이러한 연골 시간과 같은 부드러운 조직전통적 압축 시험을 이용하여 시험 한 집결지. 압축 테스트를위한 방법은 제한, 일축하고, 들여 쓰기되는 가장 널리 퍼진 (그림 1)와 매우 다양하다. 제한 압축 내에서, 연골 샘플에 배치되는 불 침투성, 유체 – 채워진 공판을 통해 잘로드. 웰은 비 다공성이므로 연골 수직 방향 (12 ~ 13)로되어 있지만, 흐름. 일축 압축 연골 12-13 주로 반경 방향으로 유체 흐름을 강제 비 다공성 챔버 상에 비 다공성 플레이트를 이용하여 장착된다. 들여 연골 12-13의 역학적 특성을 평가하는 가장 자주 사용되는 방법이다. 그것은 테스트중인 시험편의 표면보다 작은 압자 이루어져, 그 시험편에 내려하게된다. 들여 enabli 들여 쓰기가 현장에서 수행 할 수있는 사실을 포함한 압축 다른 방법에 비해 많은 장점을 갖는다테스트를 ng를하면 (그림 1) 12 ~ 13 이상 생리가 될 수 있습니다.
조직의 압축 및 인장 성질을 이해하기 위해, 영 탄성률은 일반적 시험편 사이즈 (12)에 관계없이, 압축 또는 인장에 대한 탄성 저항을 나타내는 응력 변형 곡선의 직선 부분을 분석함으로써 계산된다. 모두 인장과 압축 시험 제도는 부하 또는 변형 적용 모두 이러한 매개 변수의 속도에 따라 달라질 수 있습니다. 현재, 그것은 매우 곤란 해석하거나 상이한 시험 6-13의 결과를 비교할 수있는 조직 역학을 평가하는 다양한 시험 프로토콜이있다. 또한, 다수의 기계적인 방법은 현재 파괴 시편을 검사하여 조직의 기계적 성질의 특성에 초점을 맞춘다. 우리는 인간의 직접, 비파괴 비교를 제공하는 들여 쓰기 및 인장 프로토콜을 입증하는 것을 목표로부드러운 조직과 조직 공학적 구조.
우리는 여전히 아직 스트레스를 기계적 시험을 제한 압축과 긴장의 영의 탄성 계수를 획득하는 방법을 보여줍니다. 샘플은 특정 값에 인장 또는 압축 중 하나를 강조하고, 선택된 스트레스 값에 도달 한 후, 샘플은 모든 데이터가 기록되는 동안 휴식시킨다. 이 방법은 합성 물질에 직접 적용 할 수있는 동일한 시험 내에서의 조직의 점탄성 특성과 휴식을 모두 포착. 우리는 들여 쓰기 프로토콜을 사용하고 있습니다 피부와 연골 14-16을 포함하여 인간의 부드러운 조직을 평가합니다. 연골 압입 테스트를 사용하여 평가하고, 피부를 긴장 14-16 테스트를 사용하여 평가된다. 연구진은 이러한 프로토콜을 구현 고려할 수 있습니다 인간의 부드러운 조직과 유사한 특성을 가진 물질을 설계하는 것을 목표로.
여러 인장 및 들여 쓰기 프로토콜은 인간의 부드러운 조직의 특성을 발표했다. 우리는 더 많은 진단 및 비파괴 될 것을 목표로 또 다른 방법을 제공하고 있습니다. 트랜스 듀서는 변위보다로드 더 민감으로이 프로토콜에 기계적 시험을받은 샘플은, 부하에 의해보다는 변위에 의해 제한됩니다. 따라서, 실험의 복제품은 조직 및 합성 물질에 걸쳐 더 정확하게 될 수있다. 이 기술을 사용하여, 우리는 피부 조직 및 연골 조직을 분석 압입 프로토콜을 평가하기위한 인장 프로토콜을 보여 주었다. 두 프로토콜은 구현하기 쉽고 간단하고 인간의 부드러운 조직과 조직 공학적 구조의 특성이 고려 될 수있다.
분석에 적절한 스트레스 이완 곡선을 얻기위한 방법의 중요한 단계 중 하나는 샘플을 테스트하는 동안 슬립하지 않도록하기위한 것이다. 적절한 고정이의 requir입니다에드 만,이 시험편에 스트레스를 야기하고, 압자가 모든 전단 로딩을 방지하기 위하여 표면에 수직 인 것을 보장 대하여 균형을 이루어야한다. 조직의 구성뿐만 아니라 크기와 모양이 샘플 사이에 유사하는 것이 중요합니다. 연골 들어, 반복 박리 프로토콜 및 샘플 크기를 사용하는 것이 중요하다. 피부 샘플의 경우, 반복 샘플을 얻기 위해 모든 피하 조직을 제거하는 것이 중요하다. 이에 적합하면 모든 샘플에 대해, 시료 상태, 수화 실온 및 해동 과정을 포함하여 동일하다는 것을 보장하는 것이 중요하다.
제시된 프로토콜에 대한 몇 가지 제한 사항이 있습니다. 연구는 피부와 연골의 변형 특성이 시편의 방향 (13)에 의존한다고 제안했다. 피부까지 다시 19 세기로, 랭거와 시연 1861 년 피부가 자연 라인을 가지고 이방성으로 인식되었다긴장, 랭거 라인 (4)라고 함. 피부 샘플을 특성화 할 때 따라서, 방법론 바이어스 (4)을 도입 피하기 위해 랭거 라인에 평행 또는 수직의 모든 샘플을 배향하는 것이 중요하다. 연골도 이방성 특성을 도시 랭거 라인에 상당 Hultkrantz 라인을 포함하므로 연골은 12, 19을 적재하는 방향에 따라 달리 변형 될 수있다. 따라서, 다른 방향에서 연골의 테스트를 허용하는 샘플 크기를 증가시키는 것이 중요하다. 조직의 생체 역학적 특성도 나이와 성별에 따라 변화로서, 연구는 임상으로 유효성을 유지하기 위해 대표 환자 코호트 수행해야합니다. 또한, 일부 기계적인 프로토콜은 조직이 조직 후속 기계적 시험 (20), 정상 상태로되어 있도록 반복 하중을 거쳐 전처리를지지. P는 그러나, 정확한 메커니즘재조정이 불분명하고 일관되고 반복 가능한 응답을 생성하는 데 필요한 사이클의 정확한 수를 다른 연구 (20)에서 변화한다. 있는지 여부를 고려해야 연구원 특정 생체 역학 테스트 (20)를 수행하는 이유를 평가 한 후 전처리를 포함한다.
표피, 진피 및 피하 4 : 피부 세 가지 주요 층으로 나누어, 복잡한 다층 물질이다. 피부 조직의 기계적 특성은 최근 생체 평가 (4)에 사용하여 평가 하였다. 그러나, 인장 시험의 프로토콜은 적출 피부 (4)의 피부 생체 역학을 이해하는 데에 이용 될 수있다. 이러한 테스트는 경계 조건 (4)를 정의 할 수 있기 때문에, 응력 – 변형률 관계를 모델링하는 정보를 제공 할 수있다. 전형적으로, 시험 관내 시험은 생체 체제 시스템을 사용하는 반면, 실패 재료의 특성을 높은 균주를 사용저 변형은 4 범위. 긴장을 절제 피부 생체 역학적 값을 비교하면, MPA는 4 2.9-150에 이르기까지, 다양한 연구 사이에 큰 변화가있다. 피험자간에 큰 차이로 인해 자연적 생물학적 변동이 예상되지만, 프로토콜 체계의 차이는 이러한 차이를 천연 생물학적 화합물있다. 더 부하율이 높은 강성 결과 유체 유출을위한 시간이 덜 발생할 예를 들어, 프로토콜 간의 부하량의 차이는 변화를 야기 할 것이다. 피부 조직의 제조, 절단 및 처리 프로토콜은 기계적 성질 4의 차이가 발생할 것이다. 시험 피부 증명 프로토콜이 연구자들은 피부 조직을 특성화하기위한 다른 방법을 제공한다. 그것은 피부의 큰 이해를 허용 한 기계 시험에서 피부 조직의 탄성 및 점탄성 특성을 식별하는 능력을 포함하는 몇 가지 이점을 제공하는짧은 시간이다. 또한, 동일한 시험을 기본 피부와 유사한 생체 역학적 특성을 갖는 구조를 제조하는 조직 공학 대체품에 적용 할 수있다.
들여 쓰기 테스트는 연골 (21)의 생체 역학을 이해하는 데 국한 압축 테스트에 비해 매력적인 옵션을 제공합니다. 들여 연골의 생리 학적 구조를 유지하는 기능을 가지며, 이에 따라 임상의 그것들을 모방 값을 제공한다. 들여 사용하면, 여전히 기본 뼈에 부착하는 동안 연골을 테스트 할 수있다. 들여 쓰기는 생체와 같은 연골의 생리 학적 테스트 할 수 있습니다. 두 연골면이 서로 접근 할 때 압축 변형은 21, 17 일 후에 발생 인해 접촉 영역 아래의 물에 접촉 "팽창"의 영역을 둘러싸는 에지 측방 변위되어있다. 연골 들여 쓰기는의와 함께 실시해야유사한 팽 있도록 연골 샘플보다 작은 반경 DENTER. 압자의 크기는 또한 불명확 한 샘플 (22)의 일부인 것처럼 연골이 반응하도록 적어도 8 배 샘플 크기이어야한다. 샘플 직경의 반경 시료 작성에 존재하는 에지 효과를 제거보다 훨씬 작은 압자 사용. 또한, 압입 샘플 추출 손상된 연골 결함 검사에 의한 가능한 실험 에러를 방지한다. 들여 쓰기는 연골의 작은 얇은 조각을 허용, 같은 밀폐 된 압축 깊은 샘플 준비를 포함하지 않는, 21 (17)을 테스트 할 수 있습니다. 또한, 들여 쓰기의 비파괴 방법은 검증 및 검증 연구 후 진단 도구가 수행 된대로 임상 설정에서 잠재적 인 응용 프로그램을 가지고 있다는 것을 의미한다.
사용자가 approp에 대해 확인해야합니다 들여 쓰기와 주요 가정이 있습니다riate 결과. 들여 쓰기로드의 중요한 경계 조건은 23, 24 (표면이 떨어져 압자에서 변형되지 않는, 즉) 압자와 연골 표면 사이의 지속적인 접촉을 필요로한다. 압입 하중은 연골 표면과 압자의 접촉은 압자의 표면에 접촉되어, 즉 (비파괴이지만 표면을 통과하지 않는 것으로 상정 경계 조건을 포함하며, 연골면이 아래 실패 안된다 압자) 25-26. 이 연구는 경계 조건이 연골면 (25), (26)에 적용될 때 손상된 부위를 착색한다 먹물의 사용을 통해 입증 될 수 있음을 보여 주었다. 또 다른 경계 조건은 압자가 샘플의 표면에 수직 한 연골을 압축하는 것으로 가정한다. 압축의 수직 배향이 중요하다 경계 CONDition 전단 유도 요소 및 기계적 부하를 변경할 수 미끄러짐을 유발할 수 있고, 반복 하중을 이용하여, 특히 비스듬하게 압축하기 때문이다. 주의 시험 장치는 설정을이 조건을 확보 할 수있다.
요약 프로토콜 관심 연조직에 대해 최적화 된 후에 연구자 관심 조직의 동적 시험을 조사하기 위해 유용하다. 표본의 적절한 순환로드는 흉내 산책을하거나 다른 반복적 인 운동 27 정상 생리 학적 한계와 행동을 모방한다. 요약하면,이 보고서는 인간의 조직을 평가하는 간단한 기계적 시험 프로토콜을 보여줍니다. 이러한 프로토콜을 구현하는 것은 더 나은 기본 조직을 모방하기 위해 조직 공학적 구조를 가능하게 조직의 생체 역학적 특성에 중요한 정보를 제공합니다.
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 |