人耳軟骨的生物力學(xué)表征對組織工程的意義

概述

當前，自體軟骨提供了耳廓重建的黃金標準。但是，合成生物材料為耳朵重建提供了許多優(yōu)勢，包括減少了供體部位的發(fā)病率和較早的手術(shù)。植入物成功的關(guān)鍵是材料的機械性能，因為這會影響生物相容性和擠出。這項研究的目的是確定人類耳軟骨的生物力學(xué)特性。將15個尸體的耳軟骨壓入，位移為1 mm / s，載荷為300 g，以獲得壓縮時的楊氏模量。根據(jù)糖蛋白，膠原蛋白和彈性蛋白含量對耳廓進行組織學(xué)分析。計算耳廓各部分的壓縮模量，其中耳屏為1.67±0.61 MPa，耳屏為1.79±0.56 MPa，外耳為2.08±0.70 MPa，抗螺旋線1.71±0.63 MPa，螺旋線1.41±0.67 MPa。耳蝸顯示出比壓縮螺旋長得多的楊氏彈性模量（p<0.05）。組織學(xué)分析表明，耳廓在軟骨細胞形態(tài)，細胞外基質(zhì)和彈性蛋白含量方面具有均一的結(jié)構(gòu)。這項研究提供了有關(guān)人耳軟骨的壓縮力學(xué)特性和組織學(xué)分析的新信息，使外科醫(yī)生可以更好地了解合適的替代物。這項研究提供了參考，應(yīng)據(jù)此開發(fā)軟骨替代物以進行耳廓重建。組織學(xué)分析表明，耳廓在軟骨細胞形態(tài)，細胞外基質(zhì)和彈性蛋白含量方面具有均一的結(jié)構(gòu)。這項研究提供了有關(guān)人耳軟骨的壓縮力學(xué)特性和組織學(xué)分析的新信息，使外科醫(yī)生可以更好地了解合適的替代物。這項研究提供了參考，應(yīng)據(jù)此開發(fā)軟骨替代物以進行耳廓重建。組織學(xué)分析表明，耳廓在軟骨細胞形態(tài)，細胞外基質(zhì)和彈性蛋白含量方面具有均一的結(jié)構(gòu)。這項研究提供了有關(guān)人耳軟骨的壓縮力學(xué)特性和組織學(xué)分析的新信息，使外科醫(yī)生可以更好地了解合適的替代物。這項研究提供了參考，應(yīng)據(jù)此開發(fā)軟骨替代物以進行耳廓重建。

1，介紹

Microtia，源自希臘語，意思是“小耳朵"，是用來描述新生兒的小耳朵或沒有耳朵的醫(yī)學(xué)詞。每6000例活產(chǎn)中，小畸形可單獨出現(xiàn)，或作為其他綜合征的特征，如半面部小兒或柯林斯綜合征。目前，耳部重建的標準手術(shù)技術(shù)是使用自體肋骨軟骨。階段包括雕刻和將肋骨軟骨連接在一起，以創(chuàng)建一個框架來復(fù)制一個新的耳朵。這種重建技術(shù)有許多并發(fā)癥，11包括手術(shù)必須推遲到孩子6-10歲，相關(guān)的軟骨供體部位風(fēng)險包括氣胸和胸壁畸形，肋骨軟骨會隨著時間的推移而扭曲.

為了避免提取肋軟骨和提供早期的手術(shù)干預(yù)，同種異體材料目前正被用于重建耳朵。合成生物材料提供了許多優(yōu)勢，包括大量生產(chǎn)各種預(yù)定形狀和大小的植入物，使“現(xiàn)成的"產(chǎn)品和降低供體部位的發(fā)病率。

在設(shè)計臨床應(yīng)用的耳廓植入物時，該材料的幾個關(guān)鍵特征需要考慮。合成材料的表面和體積特性需要適合于良好的組織整合和血管生成。當考慮到材料的本體性能時，一個重要的特性是材料的力學(xué)性能。為了防止機械錯配，合成材料應(yīng)該具有與其代替組織相似的彈性模量。

迄今為止，人類耳軟骨軟骨的力學(xué)性質(zhì)尚未得到充分的研究，這使得很難生產(chǎn)出具有與其所需替代的天然組織相似的性質(zhì)的耳軟骨結(jié)構(gòu)。我們已經(jīng)表征了人類鼻軟骨的力學(xué)特性，開發(fā)了一種可靠的方法來表征人類面部軟骨的力學(xué)特性。5本研究的目的是創(chuàng)建一個人類耳廓軟骨力學(xué)特性的(a)圖，并使用細胞外基質(zhì)成分的(b)生物力學(xué)和組織學(xué)圖來支持這些發(fā)現(xiàn)。

材料和方法

從15例男性尸體標本的耳部結(jié)構(gòu)（平均59±10年）中采集新鮮冷凍的人耳廓軟骨。收獲后，將耳廓結(jié)構(gòu)置于37.5度的無菌生理鹽水中，以解凍耳廓軟骨以進行進一步解剖。先，從軟骨框架中剝離皮膚和筋膜。在此過程中，軟骨標本被解剖成14個區(qū)域，如下所述，以進行機械測試。

機械試驗

在切除皮膚和筋膜后，檢測耳廓軟骨，如圖1所示。一旦耳朵*脫落，則參照圖1使用以下指南將耳朵切成14個預(yù)定區(qū)域。初選擇這14個點是為了提供詳細的耳廓力學(xué)和組織學(xué)圖，涵蓋了耳的所有解剖結(jié)構(gòu)，包括螺旋、反螺旋、反耳屏、反耳屏和耳屏。在觀察到耳廓軟骨的力學(xué)性能無差異后，對數(shù)據(jù)進行重新分析，并進一步使用螺旋、反螺旋、圓錐、耳屏和反耳屏等部位的五點圖來反映耳廓的解剖結(jié)構(gòu)（圖1）。使用數(shù)字游標卡尺測量耳廓軟骨的厚度。所有切片的方向都相似，以便前表面將沿同一方向軸進行壓縮測試。軟骨樣本使用Mach-1材料測試機（生物網(wǎng)，加拿大）進行壓痕壓縮進行測試。每個樣品通過1kg負載單元在1mm/s下加載至300g。半球形壓頭的直徑為0.2mm。在達到300g后，讓組織放松15min（一個足以控制應(yīng)力平衡的時間點）

所有樣本都選擇壓頭作為軟骨樣本直徑約為8倍的軟骨樣本，它會像它是不確定樣本的一部分一樣反應(yīng)，并創(chuàng)造適當?shù)倪吔鐥l件。使用一個比軟骨樣本直徑半徑小得多的壓頭可以消除任何邊緣效應(yīng)。計算得到的楊氏彈性模量和應(yīng)力松弛特性的計算如前所述19，并在補充圖1中簡要顯示。除了楊氏彈性模量外，應(yīng)力-時間斜率還被用來測量解剖超微結(jié)構(gòu)的加載率（即去除使厚度與位移正?；膽?yīng)變）。

該研究主要使用MACH-1多功能3D壓痕測試系統(tǒng)完成，該系統(tǒng)*的自動3D壓痕測試使不規(guī)則表面大面積測量硬度，厚度和彈性模量變得簡單輕松，一次性完成并不需要破壞樣品或者切片。

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