JoVE Journal > Bioengineering
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
Automatic Translation
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Bioengineering

뮤린 힘줄의 생체 역학 테스트

Published: October 15, 2019
doi:
10.3791/60280
, , ,
1Department of Orthopedic Surgery,Columbia University, 2Department of Biomedical Engineering,Columbia University

Summary

이 프로토콜은 맞춤형 맞춤 3D 인쇄 설비를 사용하여 뮤린 힘줄에 대한 효율적이고 재현 가능한 인장 생체 역학 테스트 방법을 설명합니다.

Abstract

힘줄 장애는 일반적이며 모든 연령대의 사람들에게 영향을 미치며 종종 쇠약해합니다. 항염증제, 재활 및 외과 적 수리와 같은 표준 치료는 종종 실패합니다. 힘줄 기능을 정의하고 새로운 치료법의 효능을 입증하기 위해서는 동물 모델의 힘줄의 기계적 특성을 정확하게 결정해야 합니다. 뮤린 동물 모델은 지금 널리 힘줄 장애를 연구하고 건선 에 대한 새로운 치료를 평가하는 데 사용됩니다; 그러나 마우스 힘줄의 기계적 특성을 결정하는 것은 어려운 일이었습니다. 이 연구에서는 상완골과 칼카누의 해부학과 정확히 일치하는 3D 인쇄 설비를 포함하는 힘줄 기계 적 테스트를 위해 새로운 시스템이 개발되어 상완골과 아킬레스 건을 기계적으로 테스트합니다. 이러한 설비는 네이티브 뼈 해부학, 고체 모델링 및 적색 제법의 3D 재구성을 사용하여 개발되었습니다. 새로운 접근법은 예술적 파지 실패(예: 힘줄이 아닌 성장 판 실패)를 제거하고 전체 테스트 시간을 줄였으며 재현성을 증가시켰습니다. 또한,이 새로운 방법은 다른 동물에서 다른 뮤린 힘줄과 힘줄을 테스트하기 위해 쉽게 적응할 수 있습니다.

Introduction

힘줄 장애는 노화, 운동 및 활성 인구 중 일반적이고 매우 널리 퍼져1,2,3. 미국에서는, 16.4 백만 결합 조직 상해는 해마다 보고되고모든 상해 관련 의사 사무실 방문의 30%를차지합니다3,5,6,7, 8. 가장 일반적으로 영향을받는 사이트는 회전근, 아킬레스 힘줄, 슬개골 힘줄9을포함한다. 항염증제, 재활, 외과적 수리 등 다양한 비수술적 및 수술적 치료법이 탐구되었지만, 결과는 여전히 좋지 않고, 기능 회복과 높은실패율로인해5, 6. 이 가난한 임상 결과는 건병을 이해하고 새로운 처리 접근을 개발하기 위하여 노력하는 기본적인 및 번역학 연구 동기를 부여했습니다.

인장 생체 역학 적 특성은 힘줄 기능을 정의하는 주요 정량적 결과입니다. 따라서, 힘줄 병증 및 치료 효능의 실험실 특성은 힘줄 인장 특성의 엄격한 테스트를 포함해야합니다. 수많은 연구는 쥐, 양, 개 및 토끼10,11,12와같은 동물 모델로부터 힘줄의 생체 역학적 특성을 결정하는 방법을 기술하였다. 그러나, 몇몇 연구 결과는 뮤린 힘줄의 생체 역학 적 특성을 테스트했습니다, 주로 인장 테스트를 위한 작은 조직을 붙잡는 어려움 때문에. 뮤린 모델은 유전자 조작, 광범위한 시약 옵션 및 저렴한 비용을 포함하여 기계적으로 건병증을 연구하는 데 많은 이점이 있기 때문에 생체 역학적으로 뮤린 조직을 테스트하는 정확하고 효율적인 방법의 개발이 필요합니다.

힘줄의 기계적 특성을 적절하게 테스트하기 위해서는 조직이 그립 인터페이스에서 미끄러지거나 관절이 찢어지거나 성장 판의 골절없이 효과적으로 그립해야합니다. 많은 경우에, 특히 짧은 힘줄에 대 한, 뼈는 한쪽 끝에 잡고 하 고 힘 줄은 다른 쪽 끝에 그립. 뼈는 전형적으로 에폭시수지(13) 및 폴리메틸메타크릴레이트(14,15)와같은 물질에 이들을 포함시킴으로써 확보된다. 힘줄은 종종 시안아크라일레이트와 접착, 사포의 두 층 사이에 배치하고, 압축 클램프를 사용하여 고정 (단면이 평평한 경우) 또는 냉동 매체 (단면이 큰 경우)15,16,17 . 이러한 방법은 생체 역학적으로 뮤린 힘줄에 적용되었지만, 시편의 작은 크기와 성장 판의 준수로 인해 문제가 발생하며, 이는 결코18을ossifies하지 않습니다. 예를 들어, 뮤린 상완골 머리의 직경은 불과 몇 밀리미터이므로 뼈의 파지가 어려워집니다. 특히, 뮤린 상부 힘줄 – 뼈 샘플의 인장 테스트는 종종 힘줄이나 힘줄 enthesis보다는 성장 판에 실패를 초래. 마찬가지로, 아킬레스 건의 생체 역학 테스트는 도전이다. 아킬레스 건은 다른 뮤린 힘줄보다 크지만, 종골은 작아서이 뼈를 잡기가 어렵습니다. 뼈를 제거 할 수 있습니다, 두 힘줄 끝을 잡고 다음; 그러나, 이것은 힘줄 -뼈 부착의 테스트를 배제. 다른 그룹은 맞춤형 비품19,20,클램프(21)에의한 고정, 자체 경화 플라스틱 시멘트(22) 또는 원추형 모양 슬롯(22)을사용하여 칼카누뼈를 잡는 것을보고하지만, 아직이들은 이전 방법은 낮은 재현성, 높은 파지 실패율 및 지루한 준비 요구 사항에 의해 제한됩니다.

현재 연구의 목적은 뮤린 힘줄의 인장 생체 역학 적 테스트를위한 정확하고 효율적인 방법을 개발하는 것이었습니다, 예로 상피와 아킬레스 건에 초점을 맞추고. 네이티브 뼈 해부학, 고체 모델링 및 적첨가 제법에서 3D 재구성의 조합을 사용하여 뼈를 잡는 새로운 방법이 개발되었습니다. 이러한 설비는 효과적으로 뼈를 고정, 성장 판 실패를 방지, 감소 시편 준비 시간, 증가 테스트 재현성. 새로운 방법은 쥐와 다른 동물의 힘줄뿐만 아니라 다른 뮤린 힘줄을 테스트하기 위해 쉽게 적응할 수 있습니다.

Protocol

동물 연구는 컬럼비아 대학 기관 동물 관리 및 사용 위원회에 의해 승인 되었다. 이 연구에서 사용된 마우스는 C57BL/6J 배경이었으며 잭슨 연구소(미국 바 하버)에서 구입했습니다. 그(것)들은 병원균 자유로운 방벽 조건에 보관되고 음식과 물 광고 libitum를 제공되었습니다. 1. 그립 뼈를 위한 맞춤형 3D 인쇄 설비 개발 뼈 이미지 수집 및 3D 뼈 모델 구성3D 모델 생성 …

Representative Results

3D 프린팅 비품은 8주 된 뮤린 수명과 아킬레스 건을 테스트하는 데 사용되었습니다. 기계적으로 테스트된 모든 샘플은 인장 검사 후 microCT 스캔, 육안 검사 및 비디오 분석을 특징으로 하는 enthesis에서 실패했습니다. 우리의 실험실에서 상부 척추 힘줄 테스트에 대한 이전 및 현재 방법의 일대일 비교는 그림 3에도시되어 있습니다. 이전 방법28,<sup cl…

Discussion

뮤린 동물 모델은 일반적으로 힘줄 장애를 연구하는 데 사용되지만, 기계적 특성의 특성화는 문헌에서 도전적이고 드문 일입니다. 이 프로토콜의 목적은 뮤린 힘줄의 인장 시험을 위한 시간 효율적이고 재현 가능한 방법을 설명하는 것이다. 새로운 방법은 샘플을 테스트하는 데 필요한 시간을 몇 시간에서 몇 분으로 단축하고 이전 방법에서 일반적인 문제였던 주요 파지 아티팩트를 제거했습니?…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

이 연구는 NIH/NIAMS(R01 AR055580, R01 AR057836)에 의해 지원되었다.

Materials

Agarose Fisher Scientific BP160-100 Dissovle 1g in 100 ml ultrapure water to make 1% agarose 
Bruker microCT  Bruker BioSpin Corp Skyscan 1272  Used by authors
ElectroForce  TA Instruments 3200 Testing platform
Ethanol 200 Proof Fisher Scientific A4094 Dilute to 70% and use as suggested in protocol
Fixture to attach grips Custom made Used by authors
Kimwipes Kimberly-Clark  S-8115 As suggested in protocol
MicroCT CT-Analyser (Ctan) Bruker BioSpin Corp Used by authors for visualizing and analyzing micro-CT scans 
MilliQ water (Ultrapure water) Millipore Sigma QGARD00R1 (or related purifier) 100 ml 
Meshmixer Autodesk http://www.meshmixer.com/ Free engineering software used by authors to refine mesh
Objet EDEN 260VS  Stratasys LTD Precision Prototyping
Objet Studio Stratasys LTD Used by authors with 3D printer
PBS – Phosphate-Buffered Saline ThermoFisher Scientific 10010031 2.5 L of 10% PBS 
S&T Forceps Fine Science Tools 00108-11 Used by authors
Scalpel Blade – #11 Fine Science Tools 10011-00 Used by authors
Scalpel Handle – #3 Fine Science Tools 10003-12 Used by authors
SkyScan 1272 Bruker BioSpin Corp Used by authors for visualizing and analyzing micro-CT scans 
Skyscan CT-Vox Bruker BioSpin Corp Used by authors for visualizing and analyzing micro-CT scans 
SkyScan NRecon Bruker BioSpin Corp Used by authors for visualizing and analyzing micro-CT scans 
SolidWorks CAD Dassault Systèmes SolidWorks Research Subsription Solid modeling computer-aided design used by authors
SuperGlue Loctite 234790 As suggested in protocol
Testing bath Custom made Used by authors
Thin film grips  Custom made Used by authors
VeroWhitePlus Stratasys LTD NA 3D printing material used by authors
WinTest  WinTest Software Used by authors to collect data
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Girish, N., Ramachandra, K., Arun, G. M., Asha, K. Prevalence of Musculoskeletal Disorders Among Cashew Factory Workers. Archives of Environmental & Occupational Health. 67, 37-42 (2012).
  2. Thomopoulos, S., Parks, W. C., Rifkin, D. B., Derwin, K. A. Mechanisms of tendon injury and repair. Journal of Orthopaedic Research. 33, 832-839 (2016).
  3. Scott, A., Ashe, M. C. Common Tendinopathies in the Upper and Lower Extremities. Current Sports Medicine Reports. 5, 233-241 (2006).
  4. Praemer, A., Furner, S., Rice, D. P. Musculoskeletal Conditions in the United States. American Academy of Orthopaedic Surgeons. , (1992).
  5. Nourissat, G., Berenbaum, F., Duprez, D. Tendon injury: From biology to tendon repair. Nature Reviews Rheumatology. 11, 223-233 (2015).
  6. Galatz, L. M., Ball, C. M., Teefey, S. A., Middleton, W. D., Yamaguchi, K. The outcome and repair integrity of completely arthroscopically repaired large and massive rotator cuff tears. The Journal of Bone and Joint Surgery. 86, 219-224 (2004).
  7. Sher, J. S., Uribe, J. W., Posada, A., Murphy, B. J., Zlatkin, M. B. Abnormal findings on magnetic resonance images of asymptomatic shoulders. The Journal of Bone and Joint Surgery. 77, 10-15 (1995).
  8. Ker, R. F., Wang, X. T., Pike, A. V. Fatigue quality of mammalian tendons. The Journal of Experimental Biology. 203, 1317-1327 (2000).
  9. Wilson, J. J., Best, T. M. Common overuse tendon problems: A review and recommendations for treatment. American Family Physician. 72, 811-818 (2005).
  10. Fleischer, J., et al. Biomechanical strength and failure mechanism of different tubercula refixation methods within the framework of an arthroplasty for shoulder fracture. Orthopaedics & Traumatology: Surgery & Research. 103, 165-169 (2017).
  11. West, J. R., Juncosa, N., Galloway, M. T., Boivin, G. P., Butler, D. L. Characterization of in vivo Achilles tendon forces in rabbits during treadmill locomotion at varying speeds and inclinations. Journal of Biomechanics. 37, 1647-1653 (2004).
  12. Cavinatto, L., et al. Early versus late repair of rotator cuff tears in rats. Journal of Shoulder and Elbow Surgery. 27, 606-613 (2018).
  13. Potter, R., Havlioglu, N., Thomopoulos, S. The developing shoulder has a limited capacity to recover after a short duration of neonatal paralysis. Journal of Biomechanics. 47, 2314-2320 (2014).
  14. Connizzo, B. K., Sarver, J. J., Iozzo, R. V., Birk, D. E., Soslowsky, L. J. Effect of Age and Proteoglycan Deficiency on Collagen Fiber Re-Alignment and Mechanical Properties in Mouse Supraspinatus Tendon. Journal of Biomechanical Engineering. 135, 021019 (2013).
  15. Beason, D. P., et al. Hypercholesterolemia increases supraspinatus tendon stiffness and elastic modulus across multiple species. Journal of Shoulder and Elbow Surgery. 22, 681-686 (2013).
  16. Miller, K. S., Connizzo, B. K., Soslowsky, L. J. Collagen fiber re-alignment in a neonatal developmental mouse supraspinatus tendon model. Annals of Biomedical Engineering. 40, 1102-1110 (2012).
  17. Cong, G. T., et al. Evaluating the role of subacromial impingement in rotator cuff tendinopathy: Development and analysis of a novel murine model. Journal of Orthopaedic Research. 36, 2780-2788 (2018).
  18. Thomopoulos, S., Birman, V., Genin, G. M. Structural Interfaces and Attachments in Biology. Infection and Immunity. 35, (2013).
  19. Boivin, G. P., et al. Biomechanical properties and histology of db/db diabetic mouse Achilles tendon. Muscles, Ligaments and Tendons Journal. 4, 280-284 (2014).
  20. Ansorge, H. L., Adams, S., Birk, D. E., Soslowsky, L. J. Mechanical, Compositional, and Structural Properties of the Post-natal Mouse Achilles Tendon. Annals of Biomedical Engineering. 39, 1904-1913 (2011).
  21. Shu, C. C., Smith, M. M., Appleyard, R. C., Little, C. B., Melrose, J. Achilles and tail tendons of perlecan exon 3 null heparan sulphate deficient mice display surprising improvement in tendon tensile properties and altered collagen fibril organisation compared to C57BL/6 wild type mice. PeerJ. 6, 5120 (2018).
  22. Probst, A., et al. A new clamping technique for biomechanical testing of tendons in small animals. Journal of Investigative Surgery. 13, 313-318 (2000).
  23. Talan, M. Body temperature of C57BL/6J mice with age. Experimental Gerontology. 19, 25-29 (1984).
  24. Newton, M. D., et al. The influence of testing angle on the biomechanical properties of the rat supraspinatus tendon. Journal of Biomechanics. 49, 4159-4163 (2016).
  25. Schwartz, A. G., Lipner, J. H., Pasteris, J. D., Genin, G. M., Thomopoulos, S. Muscle loading is necessary for the formation of a functional tendon enthesis. Bone. 55, 44-51 (2014).
  26. Gimbel, J. A., Van Kleunen, J. P., Williams, G. R., Thomopoulos, S., Soslowsky, L. J. Long durations of immobilization in the rat result in enhanced mechanical properties of the healing supraspinatus tendon. Journal of Biomechanical Engineering. 129, 400-404 (2006).
  27. Freedman, B. R., Sarver, J. J., Buckley, M. R., Voleti, P. B., Soslowsky, L. J. Biomechanical and structural response of healing Achilles tendon to fatigue loading following acute injury. Journal of Biomechanics. 47, 2028-2034 (2014).
  28. Deymier, A. C., et al. The multiscale structural and mechanical effects of mouse supraspinatus muscle unloading on the mature enthesis. Acta Biomaterialia. 83, 302-313 (2019).
  29. Killian, M. L., Thomopoulos, S. Scleraxis is required for the development of a functional tendon enthesis. FASEB Journal. 30, 301-311 (2016).
  30. Schwartz, A. G., Long, F., Thomopoulos, S. Enthesis fibrocartilage cells originate from a population of Hedgehog-responsive cells modulated by the loading environment. Development. 142, 196-206 (2015).
  31. Bell, R., Taub, P., Cagle, P., Flatow, E. L., Andarawis-Puri, N. Development of a mouse model of supraspinatus tendon insertion site healing. Journal of Orthopaedic Research. 33, 25-32 (2014).
  32. Connizzo, B. K., Bhatt, P. R., Liechty, K. W., Soslowsky, L. J. Diabetes Alters Mechanical Properties and Collagen Fiber Re-Alignment in Multiple Mouse Tendons. Annals of Biomedical Engineering. 42, 1880-1888 (2014).
  33. Eekhoff, J. D., et al. Functionally Distinct Tendons From Elastin Haploinsufficient Mice Exhibit Mild Stiffening and Tendon-Specific Structural Alteration. Journal of Biomechanical Engineering. 139, 111003 (2017).
  34. Mikic, B., Bierwert, L., Tsou, D. Achilles tendon characterization in GDF-7 deficient mice. Journal of Orthopaedic Research. 24, 831-841 (2006).
  35. Sikes, K. J., et al. Knockout of hyaluronan synthase 1, but not 3, impairs formation of the retrocalcaneal bursa. Journal of Orthopaedic Research. 36, 2622-2632 (2018).
  36. Wang, V. M., Banack, T. M., Tsai, C. W., Flatow, E. L., Jepsen, K. J. Variability in tendon and knee joint biomechanics among inbred mouse strains. Journal of Orthopaedic Research. 24, 1200-1207 (2006).
  37. Wang, V. M., et al. Murine tendon function is adversely affected by aggrecan accumulation due to the knockout of ADAMTS5. Journal of Orthopaedic Research. 30, 620-626 (2011).
  38. Zhang, K., et al. Tendon mineralization is progressive and associated with deterioration of tendon biomechanical properties, and requires BMP-Smad signaling in the mouse Achilles tendon injury model. Matrix Biology. 52-54, 315-324 (2016).
  39. Rooney, S. I., et al. Ibuprofen differentially affects supraspinatus muscle and tendon adaptations to exercise in a rat model. American Journal of Sports Medicine. 44, 2237-2245 (2016).
  40. Galasso, O., et al. Quality of Life and Functional Results of Arthroscopic Partial Repair of Irreparable Rotator Cuff Tears. Arthroscopy – Journal of Arthroscopic and Related Surgery. 33, 261-268 (2017).
  41. Sarver, D. C., et al. Sex differences in tendon structure and function. Journal of Orthopaedic Research. 35, 2117-2126 (2017).
  42. Razmjou, H., et al. Disability and satisfaction after Rotator Cuff decompression or repair: A sex and gender analysis. BMC Musculoskeletal Disorders. 12, 66 (2011).

Tags

Biomechanical TestingMurine Tendons3D Printed FixturesSupraspinatus TendonAchilles TendonMicrocomputed TomographyAgarose GelAdaptive RenderingVolume Of InterestBinary SelectionMeshmixerSolid-modelingCADHumerus-gripping Fixture

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
Kurtaliaj, I., Golman, M., Abraham, A. C., Thomopoulos, S. Biomechanical Testing of Murine Tendons. J. Vis. Exp. (152), e60280, doi:10.3791/60280 (2019).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image