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piuma生物納米壓痕儀在軟骨剛度在微觀和宏觀尺度上的空間變化

 更新時間:2022-09-09 點(diǎn)擊量:1553
目的:關(guān)節(jié)軟骨作為承重表面,其特征在于異質(zhì)性和多區(qū)域組織。頂層是關(guān)節(jié)軟骨的第一個受影響區(qū)域,這是骨關(guān)節(jié)炎等退行性疾病的結(jié)果。壓痕實(shí)驗(yàn)?zāi)軌虼_定軟骨表層的位點(diǎn)依賴性(粘性)彈性特性。我們已經(jīng)建立了一種可重復(fù)的微壓痕方法來測量大鼠膝軟骨的表層剛度,并確定一個膝蓋隔室內(nèi),內(nèi)側(cè)和外側(cè)隔室之間,一只動物內(nèi)和右膝之間以及動物之間的空間變化。
方法:使用帶有球形壓頭(荷蘭Optics11公司)的位移控制納米壓頭機(jī)(piuma)在大鼠脛骨樣品(哈倫,Wistar,雄性,12周齡)上獲得基于壓痕的力位移曲線。將樣品附著在底物上,并用補(bǔ)充蛋白酶抑制劑的PBS溶液覆蓋(德國羅氏)。應(yīng)用不同的探頭尺寸(范圍為50-150微米)和壓痕深度(范圍4-12微米),并在900×900μm的區(qū)域內(nèi)測試多個壓痕的再現(xiàn)性(圖1)。軟骨的有效彈性模量是根據(jù)奧利弗-法爾理論計算的球形壓痕。
結(jié)果:實(shí)驗(yàn)的再現(xiàn)性,在同一位置的不同時間點(diǎn)應(yīng)用單個壓痕僅發(fā)現(xiàn)5%的變化。然而,在900x900μm區(qū)域內(nèi)軟骨剛度的空間變化是巨大的,高達(dá)20倍的變化(圖2)。因此,需要至少一系列144個壓痕(12×12網(wǎng)格,點(diǎn)間距離為82μm)才能找到該區(qū)域的可重復(fù)剛度圖,并為該區(qū)域提供可重復(fù)的平均值。對于所有動物,膝關(guān)節(jié)的側(cè)室比內(nèi)側(cè)隔室硬得多(表1,P值<0.01)。此外,我們還發(fā)現(xiàn)動物之間的有效模量存在相當(dāng)大的差異,并且每種動物內(nèi)左右膝關(guān)節(jié)的模量之間的變異性甚至更高(表 2, P值<0.001)。
結(jié)論:大鼠膝關(guān)節(jié)軟骨組織表層的有效彈性模量可重復(fù)測定。由于存在很大的空間變化,因此需要大量的壓痕才能獲得區(qū)域的適當(dāng)剛度圖。內(nèi)側(cè)和外側(cè)隔室之間的巨大變化可能表明該大鼠菌株在關(guān)節(jié)的內(nèi)側(cè)和外側(cè)上存在特定的負(fù)荷模式,可能與解剖結(jié)構(gòu)有關(guān)。令人驚訝的是,左膝和右膝蓋的軟骨硬度之間存在很大差異,這表明對一條腿的負(fù)荷偏好,并且還可能與大鼠的相對久坐不動的情況有關(guān),這些大鼠被安置在相對較小的籠子里,沒有太多的活動選擇。
剛度(平均±標(biāo)準(zhǔn)偏差)示例 1示例 2示例 3
中間字母2.8±2.14.8±2.70.3±0.1
側(cè)面的3.5±1.66.1±2.62.8±0.9
剛度(平均±標(biāo)準(zhǔn)偏差)示例 1示例 2示例 3示例 4
4.8±1.96.7±3.15.6±4.90.3±0.1
2.7±2.33.8±3.32.1±1.75.0±2.8