Методы механического тестирования для количественной оценки вязкоупругости хряща

Понимание механических свойств хряща имеет важное значение для диагностики заболеваний суставов и разработки эффективных методов лечения. Вязкоупругость, ключевая характеристика хряща, отражает его способность проявлять как эластичное, так и вязкое поведение под нагрузкой. Количественное определение этого свойства требует специализированных методов механического тестирования, которые могут точно измерять, как хрящ реагирует на различные силы с течением времени. Это глубокое погружение в методы механического тестирования предоставляет всеобъемлющий ресурс для исследователей, биомедицинских инженеров и клиницистов, ищущих достоверные данные о механике хряща.

Понимание вязкоупругости хряща

Хрящ представляет собой плотную, сосудистую соединительную ткань, которая выстилает концы костей в диартродиальных суставах. Его основными функциями являются распределение нагрузок, уменьшение трения и поглощение воздействия во время движения. Внеклеточный матрикс ткани & #8217 состоит в основном из коллагена II типа, протеогликанов (особенно аггрекана) и воды (до 80% влажного веса). Эта композиция наделяет хрящ уникальным механическим поведением, зависящим от времени и скорости, известным как вязкоупругость.

Вязкоупругость в хряще возникает из двух основных механизмов: пороупругость – течение интерстициальной жидкости через пористый ECM при градиентах давления – и интриническая вязкоупругость, которая проистекает из перестройки коллагеновых волокон и протеогликановых молекул. При внезапной нагрузке жидкость оказывает давление и поддерживает большую часть нагрузки, давая ткани жесткую, эластичную реакцию. В течение более длительных периодов жидкость исторгается из матрицы, а твердые компоненты реорганизуются, что приводит к вязкому ползучести или расслаблению. Количественное поведение помогает оценить здоровье хряща, дегенерацию при остеоартрите (ОА) и эффективность тканевой замены.

Для захвата полного вязкоупругого спектра было разработано несколько методов механического тестирования, каждый из которых предлагает уникальное понимание жесткости, релаксации, ползучести и динамических модулей.В следующих разделах подробно описаны наиболее широко используемые методы, их принципы, протоколы и ограничения.

Ключевые методы механического тестирования

Испытание на углубление

Вмятины являются одним из наиболее распространенных и универсальных методов оценки вязкоупругости хряща. Жесткий зонд (сферический или плоский) вдавливается в поверхность хряща, и регистрируется глубинный ответ силы. Вмятины могут быть выполнены in situ на неповрежденных суставах или ex vivo на образцах иссеченной ткани.

Принципы и протоколы: Во время типичного теста на углубление применяется постоянная сила или постоянная скорость смещения. Полученная кривая силовой деформации обеспечивает меру мгновенного (упругого) модуля и зависящего от времени поведения. Для вязкоупругого анализа на углубление можно наложить релаксацию напряжения или ползучесть. Наноиндентация использует кончики с радиусами в микронном диапазоне, идеально подходящие для изучения тонких слоев или свойств локальной матрицы. Микроиндентация (сферический кончик ~100–500 мкм) подходит для хряща полной толщины. Глубина углубления обычно удерживается ниже 20% толщины ткани, чтобы избежать эффектов субстрата от лежащей в основе кости.

Параметры, извлеченные: Из данных о перемещение нагрузки, мгновенный модуль [E0 и равновесный модуль∞ могут быть получены с использованием аналитических моделей, таких как решение Хейса или обратная фитинг конечного элемента. Для углубления релаксации напряжение, распад силы во времени даёт константы релаксации.

Преимущества: Высокое пространственное разрешение (до десятков микрон), способность тестировать в физиологически релевантной ориентации (например, суставная поверхность) и совместимость с неповрежденными суставами.

Ограничения: Геометрия контакта часто упрощается; трение хрящевой поверхности и изменение толщины могут вызывать артефакты.Вмятость только пробирует поверхностные и средние зоны, отсутствуя свойства глубоких зон.Кроме того, присущая анизотропия и ориентация волокна не захватываются непосредственно.

Тестирование релаксации стресса

Тесты на релаксацию от стресса применяют фиксированный степ-тенз (]ε0) к образцу хряща и регистрируют результирующий распад напряжения с течением времени. Тест обычно выполняется в неограниченном сжатии, ограниченном сжатии или натяжении. Неограниченное сжатие наиболее распространено для образцов хрящевой дисковой формы.

Протокол: После быстрого рампа (часто <1 s) to a predetermined strain (typically 5–20% of the tissue thickness), the position is held constant. The force is monitored over minutes to hours until equilibrium is reached. The relaxation curve is characterized by an initial peak stress (σmax) и плато (σeq).

Анализ: Данные релаксации напряжения установлены на вязкоупругих моделях, таких как стандартная линейная твердая (SLS) или квазилинейная вязкоупругая (QLV) теория. Ключевые параметры включают мгновенный модуль , равновесный модуль и постоянные времени релаксации (τ.] Соотношение σэкв/σмакс указывает на степень вязкоупругости: более выраженное релаксация (больше экссудации жидкости).

Актуальность: Тесты на релаксацию от стресса имитируют устойчивую нагрузку, испытываемую во время длительного стояния или иммобилизации суставов. Повышенная потеря жидкости и уменьшенное время релаксации являются маркерами дегенерации хряща в ОА.

Преимущества:Прямое измерение распада напряжения; хорошо зарекомендовавшие себя теоретические рамки; может быть объединено с измерениями проницаемости.Это золотой стандарт для определения модуля равновесия и внутренних вязкоупругих параметров.

Ограничения: Наложенное степ-напряжение не является действительно мгновенным, что может повлиять на реакцию раннего расслабления. Большие штаммы могут вызвать структурные повреждения. Подготовка образца (разрезание однородных дисков) имеет решающее значение и может нарушить поверхностную зону.

Крип-тестирование

Ползучие тесты являются дополнением к релаксации стресса: применяется постоянная нагрузка (или напряжение), а также измеряется увеличение деформации (деформации) с течением времени. Ползучее тестирование предоставляет информацию о зависящем от времени соответствии и долгосрочной несущей способности хряща.

Протокол: Предписанный стресс (например, 0,1-1 МПа) внезапно наносится на образец через жесткий пластин в неограниченном или ограниченном сжатии. Получающийся штамм регистрируется непрерывно. Как правило, образец подвергается мгновенному упругому деформации, за которым следует первичная фаза ползучести (ускорение деформации) и, в конечном итоге, устойчивая (вторичная) фаза ползучести. Тест продолжается до равновесия или до заданного временного предела.

Параметры: Соответствие крипу Jtt0 является первичным выходом. Мгновенное соответствиеJ0, Равновесное соответствиеJ∞ и время задержки может быть извлечено с использованием моделей, таких как модель Бургера. Скорость ползучести в устойчивом состоянии (dε/dt) отражает поведение вязкого потока.

Актуальность: Поведение хряща является ключом к пониманию того, как хрящ деформируется под весом тела во время стояния или статических поз. В вырожденном хряще скорость ползучести увеличивается, и ткань не может восстановить свою первоначальную толщину после удаления нагрузки.

Преимущества: Физиологически релевантны, поскольку суставы часто испытывают устойчивые нагрузки. Данные Creep можно использовать для расчета проницаемости и совокупного модуля (]HA) с помощью бифазной теории. Тест относительно прост и не требует быстрого приведения в действие.

Ограничения: Длительные сроки испытаний (до часов) могут привести к обезвоживанию или ухудшению пробы. Испытания на струйную стойку чувствительны к начальной скорости рампы и граничным условиям. Ограничительное давление (в замкнутом ползучести) должно тщательно контролироваться, чтобы избежать артефактов потока жидкости.

Динамический механический анализ (DMA)

Динамический механический анализ применяет небольшой синусоидальный штамм (или напряжение) на различных частотах и измеряет результирующее фазовое напряжение (или напряжение). Этот метод характеризует частотно-зависимый модуль хранения (]E '), модуль потерь (E ] и тангенс потерь (tangent (tan δ = E E E '), которые количественно определяют накопление эластичной энергии и рассеивание вязкой энергии.

Протокол: Обычно ДМА выполняется в напряжении, сжатии или сдвигах с использованием специализированных приспособлений. Для хряща часто выполняются колебательные тесты в ограниченном или неограниченном сжатии с небольшой амплитудой деформации (≤2% для сохранения в линейном вязкоупругом диапазоне). Частоты варьируются от 0,001 до 100 Гц, охватывая спектр физиологической нагрузки (походка ~1 Гц) до скорости удара.

Параметры: Модуль хранения представляет жесткость в фазе с приложенным штаммом. Модуль потерь отражает внефазный (вязкий) компонент. Тангенс потерь указывает на демпфирующий потенциал: tan δ < 1 указывает преимущественно эластичное поведение. Данные DMA могут использоваться для построения основных кривых через суперпозицию температуры времени (TTS), если учитывать температурные эффекты.

Актуальность: DMA идеально подходит для изучения того, как хрящ реагирует на циклическую нагрузку во время ходьбы, бега или вибраций суставов. Он выявляет структурные изменения в ECM: увеличение сшивания повышает E'; деградация аггрекана увеличивает tan δ. В раннем OA часто наблюдается увеличение E'' относительно E''.

Преимущества: Высокая чувствительность к микроструктурным изменениям; неразрушающий (низкие деформации); может быть объединен с камерами окружающей среды для контроля температуры и гидратации. DMA позволяет разделить упругие и вязкие вклады по частотному континууму.

Ограничения: Интерпретация требует тщательного рассмотрения геометрии образца и эффектов зажима. DMA менее подходит для изучения больших деформаций или отказа. Предположение о линейности не срабатывает при высоких напряжениях. Время уравновешивания образцов может быть длинным при переключении частот.

Сравнение методов тестирования

Каждый описанный выше метод механического тестирования предоставляет четкую, но дополняющую информацию о вязкоупругости хряща.Выбор метода зависит от конкретного исследовательского вопроса, шкалы глубины интереса и компромиссов между пространственным разрешением, физиологической релевантностью и пропускной способностью.

Тесты на сжатие Bulk Compression Tests

Выемка превосходит при оценке региональных вариаций по поверхности сустава (например, бедренная кондилома против табиального плато). Она может применяться in situ без удаления хряща из кости. Однако она обеспечивает в основном поверхностные и подземные свойства. Напротив, расслабление напряжения и ползучесть на иссеченных дисках исследуют всю толщину и лучше подходят для моделирования параметров материала с помощью бифазной теории. DMA может выполняться как по геометрии, но наиболее стандартизирована на прямоугольных или цилиндрических образцах.

Расслабление от стресса vs. Creep

Стрессовое расслабление более чувствительно к мгновенной эластичной реакции и ранней фазе потока жидкости, в то время как ползучесть подчеркивает долговременную деформацию при постоянной нагрузке. Два теста математически связаны через сверточную интеграл, но практические ограничения (например, невозможность применить мгновенную пошаговую нагрузку) часто делают один более удобным, чем другой. Для полной характеристики оба должны быть выполнены.

DMA против квази-статических тестов

DMA предоставляет данные частотной области, которые непосредственно применимы к динамике суставов (например, ударная нагрузка во время походки). Квазистатические тесты (расслабление стресса / ползучесть) фокусируются на поведении временной области при стационарных нагрузках. DMA часто быстрее (множественные частоты в одном тесте), тогда как квазистатические тесты требуют более длительного экспериментального времени, но дают такие параметры, как равновесный модуль и проницаемость, которые необходимы для двухфазного моделирования.

Комплексная оценка вязкоупругости хряща часто включает комбинацию этих методов. Например, тест на расслабление напряжения в углублении может сопровождаться DMA на том же участке с использованием сферического зонда с циклической нагрузкой. Такие мультимодальные подходы максимизируют информацию при минимизации изменчивости образца.

Практические соображения для тестирования хряща

Получение надежных и повторяемых механических данных из хряща требует тщательного контроля нескольких экспериментальных факторов.

  • Производство образцов: Ткань должна собираться свежей и храниться в гидратированной форме с физиологическим солевым раствором или PBS на протяжении всего процесса. Замораживание изменяет структуру ECM и должно быть предотвращено, если не будут проверены протоколы криоконсервации. Для массовых испытаний цилиндрические пробки должны быть разрезаны параллельными концами и точным измерением толщины.
  • Гидратация и отек: Хрящ постоянно обменивается жидкостью с окружающей средой. Испытательная среда (ванна или солевая капля) должна поддерживать осмолярность и рН. Давление набухания от фиксированной плотности заряда в ECM в значительной степени способствует вязкоупругому поведению; ограничение отечности (например, использование удержания) может изменить механическую реакцию.
  • История загрузки: Рекомендуется предварительное кондиционирование (несколько циклов загрузки) для достижения повторяемого исходного уровня, поскольку хрящ показывает гистерезис и тиксотропию. Протокол испытаний должен включать период отдыха между измерениями.
  • Границы: В углублении геометрия кончика, трение на интерфейсе и соответствие лежащей в основе кости влияют на результаты. Модели конечных элементов все чаще используются для обратного вычисления внутренних свойств из данных углубления.
  • Экологический контроль: Необходимо поддерживать температуру (часто 37°C) и влажность. В некоторых лабораториях используются нагревательные камеры с погружными ваннами. Инструменты DMA часто включают в себя камеру окружающей среды для контроля газовой или жидкой атмосферы.

Применение в исследованиях и клинической диагностике

Механическое тестирование вязкоупругости хряща имеет широкое применение в ортопедических исследованиях и тканевой инженерии:

  • Исследования остеоартрита (OA): Изменения вязкоупругих параметров (например, уменьшенный модуль хранения, увеличенный ползучесть, более быстрая релаксация) являются ранними биомаркерами деградации матрицы. Механическое тестирование может обнаружить тонкие изменения до появления рентгенографических признаков, помогая в ранней диагностике и мониторинге прогрессирования заболевания. Например, исследование Lusse et al. (2020) продемонстрировало, что жесткость углубления уменьшается в поверхностной зоне хряща ОА.
  • Производство: Эскизы и инженерные конструкции хряща должны соответствовать нативным механическим свойствам, чтобы преуспеть in vivo . Механическое тестирование (особенно DMA и релаксация стресса) используется для оптимизации условий культуры, оценки созревания с течением времени и сравнения с естественной тканью. бифазная теория, введенная Mow et al., остается краеугольным камнем для оценки функциональности конструкции.
  • Совместная хирургия и дизайн имплантата: Знание вязкоупругого поведения помогает в разработке остеохондральных аллотрансплантатов и синтетических вилок. Для отображения механических свойств донорского хряща используются индивидуальные испытательные установки, соответствующие сайтам реципиента.
  • Наркотестирование и механобиология: Механическое тестирование может количественно оценить влияние фармакологических агентов (например, ингибиторов ММП) на целостность хряща. Изменения скорости ползучести или потери тангенса указывают на терапевтическую эффективность.

Будущие направления

Исследования продвигаются к более физиологически значимым и высокопроизводительным методам вязкоупругой характеристики хряща:

  • Комбинированные условия загрузки: Новые инструменты одновременно применяют сжатие, сдвиг и вращение для имитации сложной физиологической нагрузки. Многоосевое тестирование выявляет синергетические эффекты, которые пропускают однорежимные тесты.
  • Артроскопические зонды, оснащенные датчиками силы и датчиками смещения, позволяют in vivo механическое картирование во время операции. Ранние прототипы были протестированы на животных моделях и человеческих трупах, как описано в Исследование научных отчетов о природе .
  • Машинное обучение для извлечения параметров: Модели обратных конечных элементов в сочетании с нейронными сетями могут быстро выводить вязкоупругие параметры из кривых углубления, уменьшая время анализа и улучшая воспроизводимость.
  • Иерархическая характеристика: Комбинирование наноиндентации с атомно-силовой микроскопией (AFM) и макроскопической DMA обеспечивает многомасштабную перспективу: от переориентации коллагенового волокна в нанометровом масштабе до соответствия объемной ткани в миллиметровом масштабе.
  • Нелинейная вязкоупругость и повреждение:] Большинство современных тестов предполагают линейную вязкоупругость, но хрящ демонстрирует тензозависимое поведение при высоких нагрузках. Будущие протоколы будут включать механику повреждений и пластичность для лучшей имитации травмы и дегенерации.

Заключение

Количественная вязкоупругость хряща с помощью механического тестирования жизненно важна для продвижения совместных исследований в области здравоохранения. Такие методы, как углубление, релаксация стресса, ползучесть и DMA, вносят ценные данные о жесткости, текучести жидкости, рассеивании энергии и зависящей от времени деформации. По мере улучшения методологической строгости и появления новых технологий эти тесты будут продолжать совершенствовать наше понимание функции хряща и дисфункции. В конечном счете, интеграция механического тестирования с визуализацией и биохимическим анализом обещает обеспечить более точную диагностику и лучшие стратегии лечения дегенеративных заболеваний суставов.