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piuma生物纳米压痕仪在软骨刚度在微观和宏观尺度上的空间变化

 发布时间:2022-09-09 点击量:302
目的:关节软骨作为承重表面,其特征在于异质性和多区域组织。顶层是关节软骨的第一个受影响区域,这是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软骨的表层刚度,并确定一个膝盖隔室内,内侧和外侧隔室之间,一只动物内和右膝之间以及动物之间的空间变化。
方法:使用带有球形压头(荷兰Optics11公司)的位移控制纳米压头机(piuma)在大鼠胫骨样品(哈伦,Wistar,雄性,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)。应用不同的探头尺寸(范围为50-150微米)和压痕深度(范围4-12微米),并在900×900μm的区域内测试多个压痕的再现性(图1)。软骨的有效弹性模量是根据奥利弗-法尔理论计算的球形压痕。
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区域内软骨刚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,点间距离为82μm)才能找到该区域的可重复刚度图,并为该区域提供可重复的平均值。对于所有动物,膝关节的侧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的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定。由于存在很大的空间变化,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上存在特定的负荷模式,可能与解剖结构有关。令人惊讶的是,左膝和右膝盖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,并且还可能与大鼠的相对久坐不动的情况有关,这些大鼠被安置在相对较小的笼子里,没有太多的活动选择。
刚度(平均±标准偏差)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±标准偏差)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