मानव मुलायम ऊतकों की biomechanical विशेषता खरोज और तन्य परीक्षण का उपयोग
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
पुनर्योजी चिकित्सा सामग्री की जगह या क्षतिग्रस्त या रोगग्रस्त अंगों को बहाल करने के लिए इंजीनियर के लिए करना है। ऐसी सामग्री मानव ऊतकों वे को बदलने के लिए लक्ष्य कर रहे हैं नकल करना चाहिए के यांत्रिक गुणों; आवश्यक संरचनात्मक आकार प्रदान करने के लिए, सामग्री यांत्रिक बलों जब दोष स्थल पर प्रत्यारोपित वे अनुभव करेंगे बनाए रखने में सक्षम होना चाहिए। हालांकि ऊतक इंजीनियर scaffolds के यांत्रिक गुणों बहुत महत्व के हैं, कई मानव ऊतकों कि इंजीनियर सामग्री के साथ बहाली गुजरना पूरी तरह biomechanically विशेषता नहीं किया गया है। कई दबाने और तन्य प्रोटोकॉल सामग्री के मूल्यांकन के लिए रिपोर्ट कर रहे हैं, लेकिन बड़े परिवर्तनशीलता के साथ यह अध्ययन के बीच परिणामों की तुलना करना मुश्किल है। इसके अलावा यांत्रिक परीक्षण की अक्सर विनाशकारी प्रकृति के अध्ययन उलझी है। नदीम ऊतक विफलता की समझ के लिए महत्वपूर्ण है, यह भी अधिक Physiol तहत लोचदार और viscoelastic गुण का ज्ञान होना बहुत जरूरी हैogical लदान की स्थिति।
इस रिपोर्ट में मानव कोमल ऊतकों के compressive और तन्य गुणों का मूल्यांकन करने के लिए एक न्यूनतम विनाशकारी प्रोटोकॉल प्रदान करना है। इस तकनीक के उदाहरण के रूप में, त्वचा की तन्यता परीक्षण और उपास्थि के compressive परीक्षण वर्णित हैं। इन प्रोटोकॉल भी सीधे सिंथेटिक सामग्री के लिए लागू किया जा सकता है कि यह सुनिश्चित करने यांत्रिक गुणों देशी ऊतक के समान हैं। प्रोटोकॉल मानव देशी ऊतक के यांत्रिक गुणों का आकलन करने के लिए उपयुक्त ऊतक इंजीनियर के विकल्प बनाने के लिए है जिसके द्वारा एक बेंचमार्क की अनुमति देगा।
Introduction
मरीजों को तेजी से विभिन्न अंग प्रत्यारोपण में नाकाम रहने या घायल अंगों का इलाज करने के लिए इंतजार कर रहे हैं। हालांकि, उपयुक्त दाता अंगों की कमी के साथ, पुनर्योजी चिकित्सा अंत मंच अंग विफलता के साथ रोगियों के लिए वैकल्पिक समाधान बनाने के लिए लक्ष्य है। पुनर्योजी चिकित्सा इंजीनियरिंग सामग्रियों के द्वारा इस नैदानिक जरूरत है ऐसे उपास्थि और त्वचा के रूप में मुलायम ऊतकों, सहित ऊतक के विकल्प के रूप में कार्य करने के लिए पूरा करना है। क्षतिग्रस्त ऊतकों बहाल करने के लिए एक सफल सामग्री बनाने के लिए, प्रतिस्थापन सामग्री देशी ऊतक यह 1-2 को बदलने के लिए जा रहा है की संपत्तियों की नकल करना चाहिए। एक बार शल्य चिकित्सा द्वारा प्रत्यारोपित, सामग्री ऊतक दोष करने के लिए संरचनात्मक आकार प्रदान करने की आवश्यकता होगी और इस प्रकार, सामग्री के यांत्रिक गुणों महत्वपूर्ण हैं 1। उदाहरण के लिए, एक सामग्री auricular उपास्थि की जगह उचित यांत्रिक गुणों overlying त्वचा 2 से संपीड़न को रोकने के लिए होनी चाहिए। इसी तरह, एक सामग्री नाक कार को बदलने के लिएtilage पर्याप्त यांत्रिक गुणों 3 सांस लेने के दौरान टूट को रोकने के लिए की आवश्यकता होगी। हालांकि, यांत्रिक गुणों जब विनिर्माण आरोपण के लिए सामग्री के महत्व के बावजूद, कुछ सबूत विभिन्न मानव ऊतकों के यांत्रिक गुणों निस्र्पक पर ध्यान केंद्रित किया है।
यांत्रिक परीक्षण शासनों, झुकने या दबाने, तन्यता स्थापित करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है, एक ऊतक के कतरनी गुण। त्वचा की एक अत्यधिक anisotropic, viscoelastic, और लगभग असंपीड्य सामग्री 4-9 है। आमतौर पर excised त्वचा अक्षीय तन्यता के तरीके में, जहां त्वचा के आकार का एक उपयुक्त पट्टी के दोनों सिरों पर जकड़ लिया और फैला है, जबकि लोड और विस्तार 4-9 दर्ज कर रहे हैं का उपयोग कर परीक्षण किया है।
चूंकि सभी नरम ऊतकों के प्रमुख घटक मध्य पानी है, उपास्थि के यांत्रिक प्रतिक्रिया दृढ़ता से ऊतक 10-11 के माध्यम से द्रव का प्रवाह से संबंधित है। ऐसे उपास्थि ज के रूप में मुलायम ऊतकोंएवेन्यू पारंपरिक रूप से संपीड़न परीक्षण का उपयोग कर परीक्षण किया गया। संपीड़न में परीक्षण के लिए तरीके काफी सीमित है, असीमित, और खरोज जा रहा है सबसे अधिक प्रचलित (चित्रा 1) के साथ विविध, कर रहे हैं। सीमित संपीड़न के भीतर, एक उपास्थि नमूने में रखा गया है एक अभेद्य, तरल पदार्थ से भरे अच्छी तरह से और एक झरझरा थाली के माध्यम से भरा हुआ है। चूंकि अच्छी तरह से गैर झरझरा है, प्रवाह, हालांकि उपास्थि ऊर्ध्वाधर दिशा 12-13 में है। असमीमित संपीड़न में, उपास्थि एक गैर झरझरा कक्ष पर एक गैर झरझरा प्लेट का उपयोग कर भरी हुई है, मुख्य रूप से रेडियल 12-13 होना करने के लिए द्रव का प्रवाह मजबूर। खरोज उपास्थि 12-13 के biomechanical गुणों के मूल्यांकन के लिए सबसे अक्सर इस्तेमाल किया विधि है। यह एक indenter, नमूना की सतह की तुलना में छोटे होते हैं परीक्षण किया जा रहा है, उस नमूना पर नीचे लाया जाता है। खरोज तथ्य यह है कि खरोज बगल में प्रदर्शन किया जा सकता है, enabli सहित संपीड़न के अन्य तरीकों पर कई फायदे हैंपरीक्षण एनजी अधिक शारीरिक (चित्रा 1) 12-13 हो सकता है।
एक ऊतक के compressive और तन्य गुण समझने के लिए, यंग लोचदार मापांक आम तौर पर तनाव तनाव की अवस्था के रैखिक भाग का विश्लेषण, संपीड़न या तनाव के लिए लोचदार प्रतिरोध का संकेत द्वारा, नमूना आकार 12 की गणना की जाती है पर ध्यान दिए बिना। दोनों तन्यता और compressive परीक्षण शासनों लोड या विकृति आवेदन किया है और इस तरह दोनों मानकों की दर के अनुसार भिन्न हो सकते हैं। वर्तमान में, वहाँ कई अलग अलग परीक्षण ऊतक यांत्रिकी आकलन करने के लिए प्रोटोकॉल है, जो यह बहुत ही मुश्किल व्याख्या या विभिन्न अध्ययनों से 6-13 परिणामों की तुलना करने के लिए बनाता है। इसके अलावा, कई यांत्रिक तरीकों वर्तमान में विनाश करने के लिए नमूना परीक्षण के द्वारा ऊतक के यांत्रिक गुणों निस्र्पक पर ध्यान केंद्रित। हम एक खरोज और तन्य प्रोटोकॉल है कि प्रत्यक्ष, मानव की गैर विनाशकारी तुलना प्रदान करता है प्रदर्शित करने के लिए लक्ष्यमुलायम ऊतकों और ऊतक इंजीनियर निर्माणों।
हम एक तरीका है कि अभी तक तनाव के यांत्रिक परीक्षण की सीमा अभी भी संपीड़न और तनाव में एक यंग लोचदार मापांक प्राप्त प्रदर्शित करता है। नमूना या तो तनाव या एक निश्चित मूल्य के लिए संपीड़न में जोर दिया जाता है, और एक बार चुना तनाव मूल्य पर पहुँच गया है, नमूना आराम करने के लिए whilst सभी डेटा दर्ज की गई है अनुमति दी है। इस विधि में एक ही परीक्षण के भीतर ऊतक है, जो सीधे सिंथेटिक सामग्री के लिए लागू किया जा सकता है की दोनों viscoelastic और आराम के गुण को दर्शाता है। हम खरोज प्रोटोकॉल का इस्तेमाल किया है त्वचा और उपास्थि 14-16 सहित मानव कोमल ऊतकों, मूल्यांकन करने के लिए। उपास्थि खरोज परीक्षण का उपयोग कर मूल्यांकन किया जाता है और त्वचा तनाव परीक्षण के 14-16 का उपयोग कर मूल्यांकन किया जाता है। शोधकर्ताओं ने मानव कोमल ऊतकों को इसी तरह की संपत्ति के साथ सामग्री के लिए इंजीनियर इन प्रोटोकॉल लागू करने पर विचार कर सकता है लक्ष्य।
Protocol
Representative Results
Discussion
कई तन्यता और खरोज प्रोटोकॉल मानव कोमल ऊतकों को चिह्नित करने के लिए प्रकाशित किया गया है। हम एक और तरीका है, जो अधिक नैदानिक और गैर विनाशकारी होना करना है प्रदान की है। इस प्रोटोकॉल में यांत्रिक परीक्षण के दौर से गुजर नमूने, लोड के बजाय विस्थापन द्वारा सीमित रूप में ट्रांसड्यूसर अधिक विस्थापन के लिए की तुलना में लोड करने के लिए संवेदनशील हैं। इसलिए, प्रयोग की प्रतिकृतियां ऊतकों और सिंथेटिक सामग्री भर में और अधिक सटीक हो सकता है। इस तकनीक का उपयोग करना, हम त्वचा के ऊतक और उपास्थि ऊतक विश्लेषण करने के लिए एक खरोज प्रोटोकॉल के मूल्यांकन के लिए एक तन्य प्रोटोकॉल का प्रदर्शन किया है। दोनों प्रोटोकॉल को लागू करने के लिए आसान और सरल हैं और मानव मुलायम ऊतकों और ऊतक इंजीनियर निर्माणों के लक्षण वर्णन के लिए विचार किया जा सकता है।
एक तनाव छूट विश्लेषण के लिए उपयुक्त की अवस्था प्राप्त करने के लिए कार्यप्रणाली के महत्वपूर्ण कदमों में से एक सुनिश्चित करने के लिए कि नमूना परीक्षण के दौरान पर्ची नहीं करता है। पर्याप्त निर्धारण requir हैएड, लेकिन इस नमूनों पर किसी भी तनाव के कारण और यह सुनिश्चित करना कि indenter सतह किसी भी कतरनी लोडिंग रोकने के लिए करने के लिए खड़ा है के खिलाफ संतुलित किया जाना चाहिए। यह महत्वपूर्ण है कि रचना के साथ ही आकार और ऊतक के आकार के नमूने के बीच समान हैं। उपास्थि के लिए, यह एक repeatable विच्छेदन प्रोटोकॉल और नमूना आयामों का उपयोग करने के लिए महत्वपूर्ण है। त्वचा के नमूने लिए, यह आदेश एक repeatable नमूना प्राप्त करने के लिए सभी चमड़े के नीचे ऊतक को दूर करने के लिए महत्वपूर्ण है। यह भी सुनिश्चित करना है कि सभी नमूनों के लिए, नमूना स्थिति, समान हैं, अगर उचित जलयोजन, कमरे के तापमान, और विगलन प्रक्रिया सहित महत्वपूर्ण है।
वहाँ प्रस्तुत प्रोटोकॉल के लिए कुछ सीमाएं हैं। अध्ययन का सुझाव दिया है कि त्वचा और उपास्थि के विरूपण विशेषताओं नमूना उन्मुखीकरण 13 पर निर्भर हैं। त्वचा के रूप में वापस दूर 19 वीं सदी के रूप में, लैंगर के साथ 1861 में प्रदर्शित किया कि त्वचा की प्राकृतिक लाइनों है anisotropic होने के लिए मान्यता दी गई थीतनाव की, लैंगर लाइनों 4 के रूप में करने के लिए भेजा। इस प्रकार, जब त्वचा के नमूनों निस्र्पक, यह महत्वपूर्ण समानांतर या लैंगर लाइन्स सीधा करने के लिए एक पद्धति पूर्वाग्रह 4 शुरू करने से बचने के लिए सभी नमूनों बोध कराता है। उपास्थि भी anisotropic गुणों से पता चलता है और Hultkrantz लाइनों, जो लैंगर लाइनों के बराबर हैं होता है, तो उपास्थि जिस दिशा में यह 12, 19 भरी हुई है अनुसार अलग-अलग ख़राब कर सकते हैं। इस प्रकार, यह नमूने का आकार बढ़ाने के लिए अलग अलग दिशाओं में उपास्थि के परीक्षण के लिए अनुमति देने के लिए महत्वपूर्ण है। ऊतक के biomechanical गुण भी उम्र और लिंग के साथ अलग अलग रूप में, नैदानिक अध्ययन स्थापित करने के लिए वैधता बनाए रखने के लिए एक प्रतिनिधि रोगी पलटन के साथ किया जाना चाहिए। इसके अलावा, कुछ यांत्रिक प्रोटोकॉल शर्त है, जहां ऊतक चक्रीय लोडिंग से होकर गुजरती है कि यह सुनिश्चित करने के ऊतकों बाद यांत्रिक परीक्षण 20 के लिए एक स्थिर अवस्था में है समर्थन करते हैं। हालांकि, पी की सटीक व्यवस्थाreconditioning स्पष्ट नहीं है और एक सुसंगत और repeatable प्रतिक्रिया उत्पादन के लिए आवश्यक चक्र की सही संख्या 20 विभिन्न अध्ययनों में बदलता है। शोधकर्ता या नहीं, पर विचार करना चाहिए विशिष्ट बायोमैकेनिकल परीक्षण 20 के प्रदर्शन के लिए कारण के मूल्यांकन के बाद शर्त शामिल करने के लिए।
एपिडर्मिस, डर्मिस, और हाइपोडर्मिस 4: त्वचा की एक जटिल, बहुस्तरीय सामग्री, तीन मुख्य परतों में विभाजित है। त्वचा के ऊतकों के यांत्रिक गुणों हाल ही में विवो आकलन 4 का उपयोग कर मूल्यांकन किया गया है। हालांकि, तनन परीक्षण के प्रोटोकॉल excised त्वचा 4 की त्वचा बायोमैकेनिक्स समझने के लिए उपयोग किया जा सकता है। इस तरह के परीक्षणों के बारे में जानकारी प्रदान करते हैं तनाव तनाव रिश्तों मॉडल करने के बाद से सीमा की स्थिति 4 परिभाषित किया जा सकता कर सकते हैं। आमतौर पर, इन विट्रो में परीक्षण शासनों उच्च उपभेदों का उपयोग करें, विफलता के लिए सामग्री को चिह्नित करने के लिए, जबकि इन विवो सिस्टम का प्रयोग करेंकम तनाव 4 पर्वतमाला। जब तनाव में excised त्वचा के लिए बायोमैकेनिकल मूल्यों की तुलना में, वहाँ विभिन्न अध्ययनों के बीच एक बड़ा परिवर्तनशीलता एमपीए 4 2.9-150 से लेकर है। विषयों के बीच बड़े मतभेद प्राकृतिक जैविक विभिन्नता के कारण उम्मीद कर रहे हैं, लेकिन प्रोटोकॉल शासनों में मतभेद भी इन प्राकृतिक जैविक मतभेद यौगिक कर सकते हैं। उदाहरण के लिए, प्रोटोकॉल के बीच लोडिंग दरों में अंतर, भिन्नता का कारण के रूप में अधिक से अधिक लोड हो रहा दरों, बाहर प्रवाह करने के लिए तरल पदार्थ के लिए कम समय का कारण एक उच्च कठोरता में जिसके परिणामस्वरूप। त्वचा के ऊतकों की तैयारी, काटना, और हैंडलिंग प्रोटोकॉल भी यांत्रिक गुणों 4 में मतभेद का कारण होगा। इस प्रोटोकॉल के परीक्षण की त्वचा के लिए प्रदर्शन किया शोधकर्ताओं ने त्वचा के ऊतकों को चिह्नित करने के लिए एक वैकल्पिक तरीका प्रदान करता है। यह एक यांत्रिक परीक्षण में त्वचा के ऊतकों की लोचदार और viscoelastic गुणों की पहचान करने की क्षमता सहित कुछ लाभ प्रदान करता है, त्वचा का एक बड़ा समझ के लिए अनुमतिसमय की एक छोटी राशि में। इसके अलावा, एक ही परीक्षण मूल निवासी त्वचा के रूप में इसी तरह के biomechanical गुणों के साथ निर्माणों निर्माण करने के लिए ऊतक इंजीनियर प्रतिस्थापन के लिए लागू किया जा सकता है।
खरोज परीक्षण उपास्थि 21 के बायोमैकेनिक्स को समझने के लिए ही सीमित संपीड़न परीक्षण की तुलना में एक आकर्षक विकल्प प्रदान करता है। खरोज उपास्थि की शारीरिक संरचना की रक्षा करने की क्षमता है और इस तरह मूल्यों है कि एक नैदानिक सेटिंग के उन नकल प्रदान करता है। खरोज का प्रयोग, यह भी, जबकि अभी भी अंतर्निहित हड्डी से जुड़ी उपास्थि का परीक्षण करने के लिए संभव है। खरोज भी इन विवो के रूप में उपास्थि के शारीरिक परीक्षण के लिए अनुमति देता है। दो उपास्थि सतहों को एक दूसरे के दृष्टिकोण, संपर्क क्षेत्र के तहत पानी की वजह से संपर्क "उभार" के क्षेत्र के आसपास के किनारों laterally के बाद दबाने विरूपण होता है 17, 21 विस्थापित किया जा रहा। उपास्थि खरोज एक के साथ आयोजित किया जाना चाहिएउपास्थि नमूना तुलना में एक छोटे त्रिज्या के साथ denter समान उभड़ा के लिए अनुमति देने के लिए। Indenter का आकार भी सुनिश्चित करना है कि कार्टिलेज से प्रतिक्रिया करता है, जैसे कि यह एक अनिश्चितकालीन नमूना 22 का हिस्सा थे कम से कम 8 बार नमूना आकार का होना चाहिए। एक indenter बहुत छोटे से नमूना व्यास की त्रिज्या किसी भी बढ़त प्रभाव नमूना निर्माण में उपस्थित समाप्त का उपयोग करना। इसके अलावा, खरोज संभव प्रयोगात्मक नमूना निष्कर्षण द्वारा क्षतिग्रस्त कार्टिलेज दोष के परीक्षण की वजह से त्रुटियों से बचा जाता है। खरोज भी ऐसे ही सीमित संपीड़न के रूप में गहरी नमूना तैयार करने, शामिल नहीं करता है, उपास्थि की छोटी, पतली टुकड़े की अनुमति, 21 17 परीक्षण किया जाना है। इसके अलावा, खरोज की गैर विनाशकारी विधि का मतलब यह नैदानिक सेटिंग में एक संभावित आवेदन किया है कि के रूप में सत्यापन और सत्यापन के अध्ययन के बाद एक नैदानिक उपकरण प्रदर्शन किया गया है।
वहाँ खरोज कि उपयोगकर्ता approp के लिए यह सुनिश्चित करना चाहिए साथ कुंजी मान्यताओं हैंriate का परिणाम है। खरोज लोडिंग में एक महत्वपूर्ण सीमा हालत (कि सतह indenter से दूर ख़राब नहीं करता है, यानी), 23, 24 indenter और उपास्थि की सतह के बीच लगातार संपर्क की आवश्यकता है। खरोज लोडिंग भी ग्रहण सीमा शर्त भी शामिल है कि उपास्थि की सतह और indenter के बीच संपर्क, गैर विनाशकारी (यानी है कि indenter सतह के साथ संपर्क में है, लेकिन सतह के माध्यम से जाना नहीं है, उपास्थि की सतह के नीचे असफल नहीं होना चाहिए indenter) 25 – 26। अध्ययनों से पता चला है कि इस सीमा शर्त भारत स्याही, क्षतिग्रस्त क्षेत्रों दाग होगा जो जब उपास्थि की सतह 25, 26 के लिए लागू के उपयोग के माध्यम से सत्यापित किया जा सकता। एक और सीमा शर्त है कि indenter नमूना की सतह पर सीधा उपास्थि compresses हो जाती है। संपीड़न का सीधा उन्मुखीकरण एक महत्वपूर्ण सीमा cond हैition क्योंकि एक कोण पर compressing, चक्रीय लोडिंग का उपयोग विशेष रूप से करते हैं, तो फिसलन है, जो बाल काटना घटकों को प्रेरित और यांत्रिक लोड हो रहा है बदल सकता है कारण हो सकता है। के माध्यम से सावधान परीक्षण उपकरणों की स्थापना की यह हालत यह सुनिश्चित किया जा सकता है।
बाद में संक्षेप प्रोटोकॉल हित के कोमल ऊतक के लिए अनुकूलित किया गया है, यह शोधकर्ताओं हित के ऊतक के गतिशील परीक्षण पर गौर करने के लिए उपयोगी होगा। नमूनों की उचित चक्रीय लोड हो रहा है ऐसे नकल उतार चलने या अन्य दोहराव आंदोलनों 27 के रूप में सामान्य शारीरिक सीमा और व्यवहार की नकल करना चाहिए। सारांश में, इस रिपोर्ट को सरल यांत्रिक परीक्षण प्रोटोकॉल को दर्शाता है मानव ऊतकों का मूल्यांकन करने के लिए। इन प्रोटोकॉल को लागू करने के ऊतकों के biomechanical विशेषताओं पर महत्वपूर्ण जानकारी प्रदान करेगा, ऊतक इंजीनियर निर्माणों को सक्षम करने के लिए बेहतर देशी ऊतक नकल करने के लिए।
Divulgations
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 |
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