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Piuma生物纳米压痕仪在软骨硬度在微观和宏观尺度上的空间变化的应用

 发布时间:2022-08-22 点击量:107
目的:关节软骨作为承重表面,其特征在于非均质性和多带状组织。顶层是关节软骨的第一个受累区,这是由于骨关节炎等退行性疾病的结果。压痕实验能够确定软骨表层的位点依赖性(粘性)弹性特性。我们已经建立了一种可重复的微压痕方法来测量大鼠膝关节软骨的表层刚度,并确定一个膝关节隔室内,内侧和侧隔室之间,一只动物的左膝盖和右膝盖之间以及动物之间的空间变化。
方法:使用带有球形压头的位移控制纳米压头机(荷兰Piuma)(Optics11)在大鼠胫骨样品(Harlan,Wistar,男性,12周龄)上获得基于压痕的力 - 位移曲线。将样品附着在底物上,并用补充蛋白酶抑制剂的PBS溶液覆盖(德国罗氏)。应用了不同的探头尺寸(范围50-150微米)和压痕深度(范围4-12微米),并在900×900μm的区域内测试了多个压痕的再现性(图1)。软骨的有效弹性模量是基于Oliver-Pharr理论计算的,用于具有球形压头的压痕。
结果:实验的再现性,在同一位置的不同时间点应用单个压痕,仅发现5%的变化。然而,在900x900μm区域内软骨硬度的空间变化是巨大的,高达20倍的变化(图2)。因此,需要至少一系列144个压痕(12×12网格,点与点之间的距离为82μm)才能在该区域上找到可重现的刚度图,并为该区域提供可重现的平均值。对于所有动物,膝盖的侧隔室比内侧隔室硬得多(表1,P值<0.01)。此外,我们还发现动物之间的有效模量存在相当大的差异,并且每种动物内左右膝关节模量之间的变异性甚至更高(表2,P值<0.001)。
结论:大鼠膝关节软骨组织表层的有效弹性模量可重复测量。由于存在广泛的空间变化,因此需要大量的压痕才能获得区域的适当刚度图。内侧和外侧隔室之间的巨大变化可能表明该大鼠菌株在关节的内侧和外侧的特定负荷模式可能与解剖结构有关。令人惊讶的是,左膝和右膝的软骨硬度之间存在很大差异,这表明对一条腿的负荷偏好,也可能与被安置在相对较小的笼子中的大鼠的相对久坐的情况有关,没有太多的活动选择。
刚度(平均±性运升)(兆帕)示例 1示例 2示例 3
中间字母2.8±2.14.8±2.70.3±0.1
侧面的3.5±1.66.1±2.62.8±0.9
刚度(平均±性运升)(兆帕)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