Name: the quantification of injectability by mechanical testing
Uploaded: 2020-05-13T15:00:00
Duration: 4 min 46 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about The Quantification of Injectability by Mechanical Testing at JoVE.com

تم تمويل هذا العمل من قبل EPSRC CDT لهندسة التركيبات في كلية الهندسة الكيميائية في جامعة برمنغهام، المملكة المتحدة، غرانت المرجعي EP/L015153/1، والمركز الملكي لطب الدفاع.

1. إعداد العينة
<ol><li>إعداد العينة وتحميلها في الحقنة.<ol>
<li>لمحاكاة حقنة محملة مسبقا، وإعداد العينة مقدما، وتحميلها في الحقنة، وإرفاق الإبرة. تخزين كما هو مطلوب، حتى الاختبار. قد يكون هذا مناسبًا للهيدروجيل والمواد التي لا تتغير مع مرور الوقت. ملاحظة: على سبيل المثال، لإعداد 2٪ من المحاليل، تذوب 2 غرام من ملح الصوديوم حمض ألجينيك في 100 مل من المياه غير المؤينة، عن طريق التحريك في درجة حرارة الغرفة. التعرق الحل في الحقن 5 مل، وتخزينها لمدة 24 ساعة في درجة حرارة الغرفة.</li>
		<li>بدلا من ذلك، لمحاكاة حقن وضعت مباشرة قبل التطبيق، وإعداد العينة بنفس الطريقة التي سيتم إجراؤها في العيادة، والسماح لأي أوقات الإعداد. تحميل في الحقنة وإرفاق الإبرة. قد يكون هذا مناسبًا للأسمنت والمواد التي تتغير خصائصها مع مرور الوقت. ملاحظة: على سبيل المثال، لإعداد أسمنت كبريتات الكالسيوم، اخلط 4 غرام من كبريتات الكالسيوم في 5 مل من الماء غير المتأين مع ملعقة لمدة دقيقة. إزالة المكبس من الحقنة وتحميل الاسمنت في برميل حقنة مع ملعقة. بدء الاختبار الميكانيكي بعد 4 دقائق. تنبيه: تشكل الإبر خطرًا على السلامة، واستخدم الإبر غير الحادة إن أمكن. إذا كانت المادة تحتوي على خلايا أو مواد بيولوجية أخرى، ينبغي توخي المزيد من الحذر لمنع الإصابات الحادة.</li>
	</ol>
</li>
</ol>2. إعداد اختبار الميكانيكية
<ol><li>قم بتوصيل اللوحات المسطحة (لاختبار الضغط) بالمختبر الميكانيكي.</li>
	<li>تجهيز اختبار الميكانيكية يدويا مع خلية تحميل مع الحمل الأقصى من 200 N. ملاحظة: يمكن استخدام خلية تحميل أكبر، شريطة أن يكون لديها دقة كافية في نطاق 1 - 200 N. قد تتطلب العينات التي تكون أكثر لزوجة وليس المقصود أن يتم حقنها باليد خلية تحميل أكبر.</li>
	<li>فصل لوحات، وذلك باستخدام أزرار التحكم اليدوي، للسماح لمساحة كافية للإبرة، والمحاقن والمكابر (حوالي 30 سم سيكون كافيا).</li>
	<li>إنشاء بروتوكول اختبار.<ol>
<li>افتح معالج الاختبار وقم بتعيين نوع الاختبار إلى ضغط uniaxial.</li>
		<li>تعيين التحميل المسبق. هذه هي قيمة القوة المقاسة التي سيبدأ بها الاختبار. 0.5 N كافية.</li>
		<li>تعيين السرعة إلى ما قبل تحميل إلى 5 مم / دقيقة. هذه هي السرعة التي ستتحرك بها الرأس المتقاطعة لأسفل حتى تواجه التحميل المسبق.</li>
		<li>تعيين التحميل إلى التحكم في النزوح وحدد سرعة اختبار مناسبة. 1 ملم / س هو السرعة المناسبة لمحقن القياسية 5 مل.</li>
		<li>حدد حدًا للقوة العليا لإيقاف الاختبار، على سبيل المثال، 200 N. هذا هو في المقام الأول لأسباب تتعلق بالسلامة. ويمكن أيضا وقف الاختبار تلقائيا عند التشريد معينة، على سبيل المثال، طول الحقنة.</li>
	</ol>
</li>
</ol>3. إعداد نظام لقط
<ol><li>إرفاق مجموعتين من المشابك إلى اثنين من المدرجات، مع قبضة كبيرة بما يكفي لensconce بأمان الحقنة المختارة.</li>
	<li>ضع القبضة بين الرأسين والقاعدة، مع مساحة كافية تحت السيطرة للمحاقن والإبرة.</li>
	<li>خط حتى مراكز من اثنين من قبضة، وخط هذه حتى مع وسط رأس الصليب. ملاحظة: قد يستغرق محاذاة قبضتي المشبك مع بعضهما البعض ومركز الرأس المتقاطع بعض الوقت والتكرار لتحقيق، ولكن من المهم الحصول على بيانات عالية الجودة.</li>
	<li>ضمان تأمين المشابك بحزم بحيث لا يكون هناك حركة في المشابك عند تطبيق قوة الهبوط.</li>
	<li>وضع طبق على لوحة أسفل لجمع المواد مقذوف.</li>
</ol>4. تشغيل بروتوكول حقن
<ol><li>أدخل الحقنة في قبضة المشبك واغلقها. وينبغي أن يمسك القبضة في مكان الحقنة، ولكن السماح لها بالتحرك صعودا وهبوطا دون مقاومة.</li>
	<li>تأكد من أن المحاقن والم المكبس عموديان على الرأس المتقاطع. وهذا يضمن أن يتم قياس ضغط أحادية فقط للمادة. ملاحظة: يجب استخدام حقنة فارغة للتحقق من الخطوتين 4.1 و 4.2.</li>
	<li>خفض لوحة أعلى إلى موقف فقط فوق المكبس، وذلك باستخدام أزرار الحركة اليدوية. ملاحظة: قد يكون من الممكن تحديد"موضع البدء"في بروتوكول اختبار الميكانيكية، بحيث يتم الوصول إلى الموضع الأصلي فوق المكبس تلقائياً ويكون متناسقاً طوال الاختبار.</li>
	<li>صفر القوة المقاسة بالنقر على 'قوة الصفر'.</li>
	<li>تشغيل بروتوكول الاختبار عن طريق الضغط على 'تشغيل'. تنبيه: يجب أن يكون المُجرب حاضرًا دائمًا لمراقبة كل تجربة، ومستعدًا لتنشيط التوقف في حالة الطوارئ في حالة وقوع حادث.</li>
	<li>رفع لوحات إلى ارتفاع كاف، وذلك باستخدام أزرار الحركة اليدوية، بحيث يمكن إزالة حقنة.</li>
	<li>كرر الخطوة 4 لكل عينة. ملاحظة: في هذه المرحلة، يمكن التخلص من حقنة والعينة مقذوف إذا لم يكن هناك حاجة إلى مزيد من التحليل، ولكن يمكن الاحتفاظ بها من أجل فحص مرشح الضغط، والشفاء الذاتي، والآثار على الخلايا، الخ.</li>
</ol>5 - جمع البيانات
<ol><li>حفظ البيانات من كل تجربة في تنسيق يمكن من خلاله إنشاء جدول للقوة وقيم التشريد (.txt، .xls، .xlsx).</li>
	<li>رسم النتائج من كل محاكمة، مع التشريد على محور س والقوة على المحور ص.</li>
	<li>قراءة قوة الحد الأقصى (إذا كان موجودا) وقوة الهضبة من الرسوم البيانية.</li>
</ol>

<ol>
	<li>Webber, M. J., Appel, E. A., Meijer, E. W., Langer, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Supramolecular+biomaterials.">Supramolecular biomaterials.</a> Nature Materials. 15, 13-26 (2015).</li><li>Mathew, A. P., Uthaman, S., Cho, K. -. H., Cho, C. -. S., Park, I. -. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Injectable+hydrogels+for+delivering+biotherapeutic+molecules.">Injectable hydrogels for delivering biotherapeutic molecules.</a> International Journal of Biological Macromolecules. 110, 17-29 (2018).</li><li>Zhou, H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Injectable+biomaterials+for+translational+medicine.">Injectable biomaterials for translational medicine.</a> Materials Today. 28, 81-97 (2019).</li><li>Alves, H. L. R., dos Santos, L. A., Bergmann, C. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Injectability+evaluation+of+tricalcium+phosphate+bone+cement.">Injectability evaluation of tricalcium phosphate bone cement.</a> Journal of Materials Science: Materials in Medicine. 19, 2241-2246 (2008).</li><li>Yu, L., Ding, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Injectable+hydrogels+as+unique+biomedical+materials.">Injectable hydrogels as unique biomedical materials.</a> Chemical Society Reviews. 37, 1473 (2008).</li><li>Pawelec, K. M., Planell, J. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Bone Repair Biomaterials: Regeneration and Clinical Applications. , (2019).</li><li>Fernandez de Grado, G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Bone+substitutes:+a+review+of+their+characteristics,+clinical+use,+and+perspectives+for+large+bone+defects+management.">Bone substitutes: a review of their characteristics, clinical use, and perspectives for large bone defects management.</a> Journal of Tissue Engineering. 9, 204173141877681 (2018).</li><li>Robinson, T. E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Filling+the+Gap:+A+Correlation+between+Objective+and+Subjective+Measures+of+Injectability.">Filling the Gap: A Correlation between Objective and Subjective Measures of Injectability.</a> Advanced Healthcare Materials. , 1901521 (2020).</li><li>O'Neill, R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Critical+review:+Injectability+of+calcium+phosphate+pastes+and+cements.">Critical review: Injectability of calcium phosphate pastes and cements.</a> Acta Biomaterialia. 50, 1-19 (2017).</li><li>Gantar, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Injectable+and+self-healing+dynamic+hydrogel+containing+bioactive+glass+nanoparticles+as+a+potential+biomaterial+for+bone+regeneration.">Injectable and self-healing dynamic hydrogel containing bioactive glass nanoparticles as a potential biomaterial for bone regeneration.</a> RSC Advances. 6, 69156-69166 (2016).</li><li>Ramin, M. A., Latxague, L., Sindhu, K. R., Chassande, O., Barth&#233;l&#233;my, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Low+molecular+weight+hydrogels+derived+from+urea+based-bolaamphiphiles+as+new+injectable+biomaterials.">Low molecular weight hydrogels derived from urea based-bolaamphiphiles as new injectable biomaterials.</a> Biomaterials. 145, 72-80 (2017).</li><li>Ren, K., He, C., Xiao, C., Li, G., Chen, X. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Injectable+glycopolypeptide+hydrogels+as+biomimetic+scaffolds+for+tissue+engineering.">Injectable glycopolypeptide hydrogels as biomimetic scaffolds for tissue engineering.</a> Biomaterials. 51, 238-249 (2015).</li><li>Burckbuchler, V., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Rheological+and+syringeability+properties+of+highly+concentrated+human+polyclonal+immunoglobulin+solutions.">Rheological and syringeability properties of highly concentrated human polyclonal immunoglobulin solutions.</a> European Journal of Pharmaceutics and Biopharmaceutics. 76, 351-356 (2010).</li><li>Allmendinger, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Rheological+characterization+and+injection+forces+of+concentrated+protein+formulations:+An+alternative+predictive+model+for+non-Newtonian+solutions.">Rheological characterization and injection forces of concentrated protein formulations: An alternative predictive model for non-Newtonian solutions.</a> European Journal of Pharmaceutics and Biopharmaceutics. 87, 318-328 (2014).</li><li>Davison, P. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+Effect+of+Hydrodynamic+Shear+on+the+Deoxyribonucleic+Acid+from+T2+and+T4+Bacteriophages.">The Effect of Hydrodynamic Shear on the Deoxyribonucleic Acid from T2 and T4 Bacteriophages.</a> Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 45, 1560-1568 (1959).</li><li>Chen, M. H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Methods+to+Assess+Shear-Thinning+Hydrogels+for+Application+As+Injectable+Biomaterials.">Methods to Assess Shear-Thinning Hydrogels for Application As Injectable Biomaterials.</a> ACS Biomaterials Science and Engineering. 3, 3146-3160 (2017).</li><li>Krebs, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Clinical+measurements+of+cement+injection+pressure+during+vertebroplasty.">Clinical measurements of cement injection pressure during vertebroplasty.</a> Spine. 30, (2005).</li><li>Bohner, M., Baroud, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Injectability+of+calcium+phosphate+pastes.">Injectability of calcium phosphate pastes.</a> Biomaterials. 26, 1553-1563 (2005).</li><li>Gbureck, U., Barralet, J. E., Spatz, K., Grover, L. M., Thull, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Ionic+Modification+of+Calcium+Phosphate+Cement+Viscosity.+Part+I:+Hypodermic+Injection+and+Strength+Improvement+of+Apatite+Cement.">Ionic Modification of Calcium Phosphate Cement Viscosity. Part I: Hypodermic Injection and Strength Improvement of Apatite Cement.</a> Biomaterials. 25, 2187-2195 (2004).</li><li>Habib, M., Baroud, G., Galea, L., Bohner, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Evaluation+of+the+ultrasonication+process+for+injectability+of+hydraulic+calcium+phosphate+pastes.">Evaluation of the ultrasonication process for injectability of hydraulic calcium phosphate pastes.</a> Acta Biomaterialia. 8, 1164-1168 (2012).</li><li>Martin, B. C., Minner, E. J., Wiseman, S. L., Klank, R. L., Gilbert, R. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Agarose+and+methylcellulose+hydrogel+blends+for+nerve+regeneration+applications.">Agarose and methylcellulose hydrogel blends for nerve regeneration applications.</a> Journal of Neural Engineering. 5, 221-231 (2008).</li><li>Borzacchiello, A., Russo, L., Malle, B. M., Schwach-Abdellaoui, K., Ambrosio, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Hyaluronic+Acid+Based+Hydrogels+for+Regenerative+Medicine+Applications.">Hyaluronic Acid Based Hydrogels for Regenerative Medicine Applications.</a> BioMed Research International. 2015, 871218 (2015).</li><li>Zhao, L., Weir, M. D., Xu, H. H. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=An+injectable+calcium+phosphate-alginate+hydrogel-umbilical+cord+mesenchymal+stem+cell+paste+for+bone+tissue+engineering.">An injectable calcium phosphate-alginate hydrogel-umbilical cord mesenchymal stem cell paste for bone tissue engineering.</a> Biomaterials. 31, 6502-6510 (2010).</li><li>Ji, D. -. Y., Kuo, T. -. F., Wu, H. -. D., Yang, J. -. C., Lee, S. -. Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+novel+injectable+chitosan/polyglutamate+polyelectrolyte+complex+hydrogel+with+hydroxyapatite+for+soft-tissue+augmentation.">A novel injectable chitosan/polyglutamate polyelectrolyte complex hydrogel with hydroxyapatite for soft-tissue augmentation.</a> Carbohydrate Polymers. 89, 1123-1130 (2012).</li><li>Vaishya, R., Chauhan, M., Vaish, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Bone+cement.">Bone cement.</a> Journal of Clinical Orthopaedics and Trauma. 4, 157-163 (2013).</li></ol>

ليس لدى أصحاب البلاغ ما يكشفون عنه.

ربما يكون الاختبار الميكانيكي هو أبسط الطرق وأكثرها موثوقية لقياس إمكانية الحقن. ومن المزايا الرئيسية لهذا البروتوكول أنه لا توجد حاجة إلى معدات خاصة، بخلاف المختبر الميكانيكي، وهو أمر شائع في مختبرات المواد. وهذا البروتوكول متعدد الاستخدامات إلى حد كبير؛ يمكن استخدام أي مادة ، قياس الإبرة وحجم الحقنة ، شريطة أن يتم استيعابها من قبل المشابك. وقد تم التحقق من هذا في هذا البروتوكول للمحاقن تصل إلى 10 مل. وعلاوة على ذلك، يمكن إعداد المواد تماما كما لو كان لتطبيق العالم الحقيقي25. وأخيراً، فإن هذا الإجراء سريع جداً، حيث لا تستغرق سوى بضع دقائق لكل عينة، مما يسمح بمعالجة عشرات العينات في الساعة.
بالنسبة للعينات التي تعطي منحنيات نموذجية، يمكن استخراج قيمتين: القوة القصوى ومنحنيات قوة الهضبة. ويمكن القول إن القوة القصوى أكثر موضوعية ويمكن استخراجها حسابيا من جدول البيانات لكل عينة. وعلى العكس من ذلك، قد تكون قوة الهضبة أكثر تمثيلا، لأن هذه ستكون القوة التي شهدتها أكبر قدر من الوقت، كما أنها، كمتوسط، أقل تأثرا بالمنحنيات مع تقلبات كبيرة. قد تكون هذه التقلبات ناجمة عن فقاعات الهواء أو الجسيمات في المواد التي تسبب تغيرات متقطعة أثناء قذفها، أو بسبب دقة منخفضة للأجهزة لقياسات القوة الصغيرة. ومع ذلك، فمن الجدير بالذكر أنه، بالنسبة للعديد من العينات، لا توجد ذروة قوة قصوى، وبالتالي فإن القيمة القصوى والهضبة هي نفسها. ويمكن إجراء مقارنات موضوعية بين قوى الحقن طالما استخدمت قيمة متسقة.
يمكن استخدام البيانات التي تم الحصول عليها بعدة طرق. ويمكن مقارنة قيم قوة الحقن إلى سهولة الحقن، لتحديد أي التركيبات والمحاقن وأحجام إبرة قابلة للتطبيق للترجمة8. وبدلاً من ذلك، تسمح المقارنة بين العينات بالتدميم الكمي للتغييرات في التركيبات المتعلقة بالقابلية للحقن. على سبيل المثال، في الأسمنت، وتغيير لزوجة المرحلة السائلة، وتوزيع حجم الجسيمات، وإضافة إضافات مثل سترات لتغيير خصائص الغروية، يمكن أن يكون لها تغييرات كبيرة في الحقن9. وقد تُبلغ هذه الاختبارات أيضاً بروتوكول التركيبات الخاصة بالأسمنت، مثل وقت الخلط، ووقت التحميل، ووقت التطبيق، من أجل الحقن الأمثل وأداء ما بعد الحقن. وبالإضافة إلى ذلك، يمكن استخدام هذه الطريقة لاختبار الجدوى الأولية من bioinks رواية للطباعة 3D.
يمكن تعديل هذا البروتوكول بعدة طرق. ويمكن استبدال نظام المشبك مع بناء 3D المطبوعة مفصل لعقد الحقنة، والتي قد تجعل من الأسهل لضمان حقنة وم المكبس عمودي على رأس، والمحاقن عقد بشكل آمن. يمكن استبدال الإبرة مع قنية أو أي جهاز ينقذ المواد عن طريق ضغط المكبس ويمكن أن يكون من أي حجم والهندسة. من أجل زيادة دقة النتائج ، يمكن وضع طرف الإبرة في الأنسجة أو الهيدروجيل ، من أجل محاكاة الحقن السريري بشكل أكثر دقة. ومع ذلك، وهذا يضيف المزيد من التعقيدات إلى البروتوكول، كما الأنسجة / هلام التكوين وعمق إبرة يجب أن تبقى ثابتة. وعلاوة على ذلك، يستخدم هذا البروتوكول البثق الذي يتحكم فيه التشريد، لقياس القوة اللازمة لحقن السرعة المحددة. بدلا من ذلك، يمكن تحديد قوة الحقن، ويمكن قياس كمية البثق مع الزمن. قد يكون هذا مفيداً للمواد ذات الخصائص التي تعتمد على الوقت، مثل الأسمنت. على سبيل المثال، باستخدام ارتباط بين قوة الحقن وسهولة الحقن لتحديد قوة8، يمكن استخدام هذا البروتوكول لتحديد ما إذا كان يمكن حقن حجم الأسمنت بأكمله بهذه السرعة قبل الإعداد. وأخيراً، يمكن بسهولة الجمع بين هذا البروتوكول وتجارب أخرى، من أجل اختبار تأثير الحقن على الخصائص المادية وفحص الظواهر مثل الضغط على المرشح والشفاء الذاتي، أو تأثير الحقن على الخلايا.
القيد الرئيسي لهذا البروتوكول هو أن اختبار الميكانيكية العالمية مطلوب. في حين أن هذه شائعة في مختبرات اختبار المواد ، فهي مكلفة لشراء إذا كان المستخدم لا يمكن الوصول إلى واحد. وعلاوة على ذلك، يوفر المختبر الميكانيكي ضغط uniaxial إما في قوة مجموعة أو معدل النزوح، في حين أن القوة المطبقة وسرعة الحقن قد تختلف على مدى مسار الحقن باليد. هذا البروتوكول هو أيضا غير مناسب لتكرار بعض الحقن في العالم الحقيقي، مثل الحقن في الأنسجة المعقدة في المسرح، أو الحقن في زوايا مختلفة. لقياس قوة الحقن في العيادة، قد تكون القوة ونزوح محولات وسيلة أفضل.

وغالبا ما تدرس المواد الحيوية وتستخدم كسقالات لتجدد الأنسجة الخلوية والمستودعات المستهدفة، والتسليم المستمر من العلاجات1. داخل هذا المجال، المواد الحيوية عن طريق الحقن تنمو في شعبية كما أنها هي طفيفة التوغل، مما يقلل من خطر العدوى، والألم وتندب المرتبطة زرع2. علاوة على ذلك ، لأنها عادة ما تطبق على أنها السوائل ، فإنها تتوافق تماما مع عيوب الأنسجة ، والمخدرات والخلايا قد تكون مختلطة لهم مباشرة قبل تطبيق3،4،5. وعلى هذا النحو، في حين يمكن تصنيع المواد الحيوية القابلة للحقن كمحاقن محملة مسبقاً، فإنها غالباً ما يتم إعدادها من قبل الأطباء السريريين مباشرة قبل التطبيق. على سبيل المثال، يبدأ الأسمنت في ضبط مرة واحدة يتم خلط المسحوق والسائل مراحل، وذلك لا يمكن تخزينها لفترات طويلة قبل استخدام6. وهكذا فإن توصيف هذه المواد يتوقف على الزمن ويرتبط ارتباطا لا ينفصم بإعدادها.
تشمل المواد الحيوية الشائعة القابلة للحقن أسمنت الكالسيوم والميثاريل المتعددة، والنظارات الحيوية، والهيدروجيل البوليمرية المختلفة3،7. على عكس الحقن التقليدية من المخدرات، التي لها نفس الخصائص الريولوجية مثل الماء، وهذه المواد الحيوية عن طريق الحقن عادة ما تكون أكثر لزوجة، غير نيوتن، قد يكون لها بعض الطابع المرن، ويمكن أيضا أن تتغير مع مرور الوقت. ولذلك، لا يمكن افتراض إمكانية حقن هذه المواد ولكن يجب تقييمها تجريبيا. عن طريق قياس القوة اللازمة للحقن وربطها بسهولة الحقن، والقرارات المبكرة حول أي التركيبات الحيوية، والمحاقن، وأحجام الإبر للمضي قدما يمكن أن تتخذ في وقت مبكر من عملية التنمية8. وقد تحدد هذه التجارب أيضاً آثار الصيغ المتغيرة على القدرة على الحقن9.
هناك عدة طرق لتقييم خصائص المواد القابلة للحقن. وغالبا ما تستخدم الريولوجيا التناوب لتقييم اللزوجة، غير نيوتوني السلوك، الانتعاش بعد القص، وتحديد الوقت، وغيرها من خصائص هذه المواد10،11،12. في حين أن هذا النوع من الاختبار مفيد لتحديد الخصائص الأساسية للمواد ، فإن هذه الخصائص لا ترتبط مباشرة بالقابلية للحقن. بالنسبة للسوائل والنيوتونية وحقنه الاسطورية والإبرة، يمكن تقدير قوة الحقن من شكل من أشكال المعادلة هاغن -واكين13:
<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/61417/61417eq1.jpg">
حيث F هو القوة اللازمة للحقن (N)، Rs هو نصف قطر الحقن الداخلي (م)، Rn هو دائرة نصف قطرها إبرة الداخلية (م)، L هو طول إبرة (م)، س هو معدل تدفق السوائل (م3 S-1)،η هو اللزوجة الديناميكية (Pa.s) و Fهو قوة الاحتكاك بين المكبس وسور برميل (N). وهكذا، إذا تم قياس اللزوجة عن طريق الريولوجيا التناوبية، أبعاد الحقنة والإبر معروفة ومعدل التدفق المقدر، يمكن تقدير قوة الحقن. ومع ذلك، فإن هذه المعادلة لا تأخذ في الاعتبار نهاية المخروطية للمحاقن أو أي هندسات أخرى، مثل منافذ خارج المركز، ويجب تقدير Fأو العثور عليه تجريبيًا عن طريق الاختبار الميكانيكي. علاوة على ذلك ، المواد الحيوية ليست عادة نيوتونية ، ولكنها تظهر خصائص رية معقدة. لسائل القص بسيطة رقيق ، المعادلة تصبح14:
<img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/61417/61417eq2.jpg">
حيث n هو مؤشر السلطة (-) وK هو مؤشر الاتساق (Pa.sn)من تعبير أوستوالد دي Waele: <img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/61417/61417eq3.jpg"> ، أين هو معدل القص <img alt="Equation 4" src="/files/ftp_upload/61417/61417eq4.jpg"> (s-1). ويزداد التعقيد إلى حد كبير بالنسبة للمواد التي لا يمكن أن تتميز خصائصها الريولوجية بقيمتين، ولا سيما بالنسبة للمواد التي تعتمد على الوقت مثل وضع الأسمنت. بالإضافة إلى ذلك، إذا كانت خصائص المواد هي القص تعتمد، ثم يجب اختبار المواد بمعدل القص المتوقع في الإبرة، والتي قد تتجاوز بكثير مدى15دوران rheometer.
وهناك طريقة كمية أخرى لقياس القدرة على الحقن تتضمن ربط أجهزة استشعار الضغط والتشريد بالمحقنة أثناء إجراء الحقن، إما باليد أو باستخدام مضخة الحقن. غير أن هذه المعدات غير مكلفة نسبياً، وتتطلب من المستخدمين توليد البرامج النصية ومنحنيات المعايرة لتحويلها إلى بيانات قوة16. وعلاوة على ذلك، قد لا تمتلك مضخة حقنة عزم دوران كافية لضغط المكبس بمعدل دقيق إذا كانت هناك حاجة للقوى العالية لقذف المواد اللزجة أو شبه الصلبة. بدلا من ذلك، قد يكون استخدام هذه أجهزة الاستشعار عند الحقن باليد مفيدة لأنها يمكن استخدامها في سيناريو سريري حقيقي، خلال الإجراءات السريرية17. ومع ذلك، فإن هذا سيستغرق وقتا أطول بكثير، وقد يؤدي إلى تحيز المستخدم، وبالتالي، سوف تحتاج إلى أعداد أكبر من التكرار مع مختلف المستخدمين للحصول على نتائج موثوق بها. وهذا قد يكون، بالتالي، أكثر ملاءمة للمواد التي هي مزيد من أسفل خط أنابيب الترجمة، أو المنتجات التي سبق أن استخدمت في السريرية.
في هذا البروتوكول، يتم استخدام جهاز اختبار ميكانيكي لضغط المكبس بمعدل معين، وقياس القوة المطلوبة للقيام بذلك. هذا النوع من الفحوصات الميكانيكية شائع في مختبرات المواد وقد استخدم لقياس كمية الحقن للمواد الحيوية المختلفة18،19،20،21،22،23،24. يمكن استخدام هذا الاختبار مع أي حجم وهندسة الحقنة والإبرة، التي تحتوي على أي مادة. علاوة على ذلك ، في حالة المواد الحيوية التي يتم إجراؤها مباشرة قبل الاستخدام ، يمكن اتباع إجراء الصياغة الدقيق الذي سيتم استخدامه في العيادة أو الجراحة قبل الاختبار. ومن المزايا الأخرى لهذا الإجراء أنه سريع نسبيا؛ بمجرد إعداد المختبر الميكانيكي ، يمكن دراسة عشرات العينات في ساعة ، اعتمادًا على سرعة البثق وحجم الحقن. هذا على النقيض من الريولوجيا التناوبية، والتي عادة ما يستغرق ما لا يقل عن 5 - 10 دقيقة لكل اختبار، بالإضافة إلى التحميل، و التوازن والتنظيف الوقت. باستخدام اختبار الميكانيكية تنتج معدل البثق موثوق بها على قدم المساواة على المكبس، وهو مفيد بشكل خاص لتركيبات لزجة أو تلك التي لها خصائص تعتمد على الزمن. وبعد الاختبار، يلزم الحد الأدنى من معالجة البيانات بعد ذلك لسحب القيم الهامة لإجراء مقارنات موضوعية.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" style="width:637px;" width="638">
	<colgroup>
		<col />
		<col />
		<col />
		<col />
	</colgroup>
	<tbody>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Alginic Acid Sodium Salt</td>
			<td style="width:136px;">Sigma</td>
			<td style="width:119px;">A2033-100G</td>
			<td style="width:167px;"></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Blunt Needles</td>
			<td style="width:136px;">Needlez</td>
			<td style="width:119px;">NB19G1.5</td>
			<td>Any size may be used, depending on application</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Calcium Sulphate Hemihydrate</td>
			<td style="width:136px;">Acros Organics</td>
			<td style="width:119px;">22441.296</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Clamp stand</td>
			<td style="width:136px;">Eisco</td>
			<td style="width:119px;">MTST5</td>
			<td>Two required</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Clamps</td>
			<td style="width:136px;">R&#38;L Enterprises</td>
			<td style="width:119px;">41</td>
			<td>Two required, should have flat tops</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Syringes</td>
			<td style="width:136px;">BD</td>
			<td style="width:119px;">307731</td>
			<td>Any size can be used, depending on application</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Universal Mechanical Tester</td>
			<td style="width:136px;">Zwick Roell</td>
			<td style="width:119px;">Z030</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

the quantification of injectability by mechanical testing

المواد الحيوية عن طريق الحقن أصبحت شعبية متزايدة لإيصال الحد الأدنى من الغازية من المخدرات والخلايا. هذه المواد عادة ما تكون أكثر لزوجة من الحقن مائي التقليدية، ويمكن أن تكون شبه صلبة، وبالتالي، لا يمكن افتراض حقنها. يصف هذا البروتوكول طريقة لتقييم موضوعي لإمكانية حقن هذه المواد باستخدام مختبر ميكانيكي قياسي. يتم ضغط المكبس حقنة من قبل رأس الصليب بمعدل مجموعة، ويتم قياس القوة. يمكن بعد ذلك استخدام قيمة القوة القصوى أو الهضبة للمقارنة بين العينات، أو إلى حد قوة مطلقة. يمكن استخدام هذا البروتوكول مع أي مادة ، وأي حقنة وإبرة الحجم أو الهندسة. ويمكن استخدام النتائج التي تم الحصول عليها لاتخاذ قرارات بشأن التركيبات والمحاقن وأحجام الإبر في وقت مبكر من العملية الانتقالية. وعلاوة على ذلك، يمكن قياس آثار تغيير التركيبات على قابلية الحقن كميا، وتحديد الوقت الأمثل لحقن المواد المتغيرة زمنيا. هذه الطريقة هي أيضا مناسبة كوسيلة استنساخ لفحص آثار الحقن على المواد, لدراسة الظواهر مثل الشفاء الذاتي وتصفية الضغط أو دراسة آثار الحقن على الخلايا. هذا البروتوكول هو أسرع وأكثر مباشرة للتطبيق على القابلية للحقن من الريولوجيا التناوبية، ويتطلب الحد الأدنى من معالجة آخر للحصول على القيم الرئيسية للمقارنات المباشرة.

يظهر إعداد نظام الاختبار واللقط الميكانيكي في الشكل 1A. ينشئ هذا البروتوكول جدولاً و رسماً بيانياً للقوة مقابل إزاحة لكل عينة تم اختبارها. يتكون منحنى إزاحة القوة النموذجية من ثلاثة أقسام(الشكل 1B):التدرج الأولي ، حيث يتغلب المكبس على الاحتكاك من البرميل ويتم تسريع المادة ، وهو أقصى قوة ، وهضبة ، حيث يتم قذف المادة في حالة ثابتة.
ومع ذلك، يوجد حد أقصى متميز فقط حيث تكون قوة الهضبة أقل من القوة المطلوبة لتسريع المكبس. على هذا النحو ، لا ينظر إلى القمم إلا للعينات inviscid يمر عبر الإبر واسعة. بالنسبة للعينات اللزجة التي تمر عبر فتحة أكثر ضيقًا ، فإن القوة اللازمة لحقن العينة بسرعة ثابتة أكبر من القوة المطلوبة للتغلب على الاحتكاك في البرميل وتسريع المادة ، ولا توجد ذروة متميزة(الشكل 1C). للحصول على عينات لزجة للغاية أو الإبر ضيقة جدا، قد تكون القوة اللازمة لبثق المواد كبيرة بحيث الابازيم حقنة ويفشل، في كثير من الأحيان مع القليل جدا من البثق من المواد (الشكل 1D). إذا كانت المواد التي يتم حقنها تحتوي على جزيئات أو تمر الإعداد، مثل الاسمنت، مرشح الضغط (طرد تفضيلية من المرحلة السائلة) أو وضع السائبة قد تحدث، مما يؤدي إلى حقن غير مكتملة (الشكل 1E).
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61417/61417fig1.jpg"> الشكل 1: منحنيات العينة التي تم إنشاؤها بواسطة هذا البروتوكول. (أ) إعداد اختبار الميكانيكية لهذا البروتوكول. (B) منحنى القوة النموذجية البثق. (C) منحنى البثق القوة مع عدم وجود ذروة قصوى متميزة. (D) قوة البثق منحنى لفشل الحقنة. (E) قوة البثق منحنى للأسمنت الإعداد. وهذا الرقم مقتبس من روبنسون وآخرون8. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61417/61417fig1large.jpg" target="_blank">الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.</a>

Watch this Scientific Journal Video about The Quantification of Injectability by Mechanical Testing at JoVE.com

The Quantification of Injectability by Mechanical Testing

يُعرض هنا بروتوكول للتقييم الكمي لإمكانية حقن مادة ما من خلال نظام حقنة إبرة باستخدام جهاز اختبار ميكانيكي قياسي.

القياس الكمي للحقن بواسطة الاختبار الميكانيكي

Injectable biomaterials are becoming increasingly popular for the minimally invasive delivery of drugs and cells. These materials are typically more ...

من خلال قياس القوة ، يمكننا التأكد مما إذا كانت المادة قابلة للحقن وكيف يمكن تغيير حجم الإبرة والمحاقن ، أو معالجة التركيب والكيمياء تؤثر على الحقن. هذه التقنية سريعة وبسيطة. يمكن استخدامها مع مجموعة متنوعة من هندستها الإبر والمحاقن، ويتطلب معالجة البيانات قليلا للحصول على قيم القوة الرئيسية.وهذه الطريقة قابلة للتطبيق بوجه خاص بالنسبة لالمواد الأحيائية القابلة للحقن، مثل الهيدروجيلات والإسمنت، والتسليم المستدام للمخدرات، والتطبيقات الهندسية للأنسجة. لإعداد اختبار الميكانيكية، إرفاق بلانتينات اختبار ضغط مسطح إلى اختبار الميكانيكية وتجهيز المختبر يدويا مع خلية تحميل مع الحمل الأقصى من 200 نيوتن. استخدم أزرار التحكم اليدوي لفصل الـ plantains للسماح بمساحة 30 سنتيمترًا تقريبًا للإبرة والمحاقن والمغطس.لإنشاء بروتوكول اختبار، افتح معالج الاختبار في برنامج الجهاز وقم بتعيين نوع الاختبار إلى ضغط uniaxial. تعيين قيمة التحميل المسبق للقوة التي سيتم بها اختبار يبدأ وضبط السرعة لتحميل مسبق إلى خمسة ملليمترات في الدقيقة، لضبط السرعة التي سوف تتحرك رأس الصليب إلى أسفل حتى يواجه التحميل المسبق. تعيين التحميل إلى التحكم في النزوح وحدد سرعة اختبار مناسبة.ثم قم بتعيين حد قوة عليا لإيقاف الاختبار. لإقامة نظام لقط، إرفاق مجموعتين من المشابك مع قبضة كبيرة بما يكفي لensconce بأمان حقنة مختارة إلى اثنين من المدرجات. ضع القبضة بين الرأسين والصحن الأساسي مع مساحة كافية تحت السيطرة للمحاقن والإبر واتصف مراكز السيطرة مع مركز الرأس المتقاطع.استخدام حقنة فارغة للمساعدة في المحاذاة. ثم تحقق من أن المشابك مؤمنة بحزم بحيث لا توجد حركة في المشابك عند تطبيق قوة نزولية ووضع طبق على لوحة أسفل لجمع المواد مقذوف. لإجراء تجربة الحقن، أدخل الحقنة في قبضة المشبك واغلق القبضة بحيث يتم احتجاز الحقنة في مكانها ولكن يمكن أن تتحرك صعودا وهبوطا دون مقاومة مع المحاقن والم المكبس عمودي على رأس الصليب.استخدام أزرار لخفض لوحة أعلى فقط فوق المكبس وانقر فوق قوة الصفر إلى الصفر القوة المقاسة. ثم انقر فوق تشغيل لتشغيل بروتوكول الاختبار. في نهاية الاختبار، رفع لوحات إلى ارتفاع كاف، بحيث يمكن إزالة حقنة وتكرار الاختبار مع العينة التالية.بعد كل تجربة، احفظ البيانات في تنسيق بحيث يمكن إنشاء جدول للقوة و النزوح القيم و رسم النتائج من كل تجربة مع النزوح على المحور س والقوة على المحور ص. عندما تم رسم كل من التجارب، وتحديد أقصى وهضبة القوات من كل رسم بياني. يتكون منحنى إزاحة القوة النموذجية من ثلاثة أقسام.تدرج الأولي، كما الغطاس يتغلب على الاحتكاك من برميل والمواد قد تسارعت قوة الحد الأقصى. والهضبة كما هو مقذوف المواد في حالة ثابتة. بالنسبة للعينات اللزجة التي تمر عبر فتحة أكثر ضيقًا ، تكون القوة اللازمة لحقن العينة بسرعة ثابتة أكبر من القوة المطلوبة للتغلب على الاحتكاك في البرميل وتسريع المادة.ولذلك، لا يلاحظ أي ذروة متميزة. بالنسبة للعينات اللزجة للغاية أو الإبر الضيقة للغاية ، قد تكون القوة المطلوبة لقذف المادة كبيرة جدًا لدرجة أن ابزيم الحقنة وتفشل. في كثير من الأحيان مع القليل جدا من البثق من المواد.إذا كانت المواد التي يتم حقنها تحتوي على جزيئات أو بدأت في ضبطها، فقد تحدث عملية الضغط أو وضع السوائب مما يؤدي إلى حقن غير مكتمل. من الضروري التأكد من أن الكتل مؤمنة بحزم بحيث تكون الحقنة مناسبة بشكل مريح ، وتتركز وتعامد على الرأس المتقاطع. ويمكن استخدام ارتباط لربط القوة قياس من سهولة الحقن.بدلا من ذلك، يمكن استخدام الريولوجيا لفهم كيفية تأثير عملية الحقن على المواد.

Research

JoVE Journal

Bioengineering

Mechanical Testing of Mouse Carotid Arteries: from Newborn to Adult

الميكانيكية اختبار الشرايين السباتية الفأر: من حديثي الولادة إلى الكبار

The large conducting arteries in vertebrates are composed of a specialized extracellular matrix designed to provide pulse dampening and reduce the work ...

Investigating the Three-dimensional Flow Separation Induced by a Model Vocal Fold Polyp

التحقيق في فصل التدفق ثلاثي الأبعاد الناجم عن نموذج بوليب أضعاف الصوتية

The fluid-structure energy exchange process for normal speech has been studied extensively, but it is not well understood for pathological conditions. ...

An Improved Mechanical Testing Method to Assess Bone-implant Anchorage

لتحسين طرق الاختبارات الميكانيكية لتقييم العظم زرع مرسى

Recent advances in material science have led to a substantial increase in the topographical complexity of implant surfaces, both on a micro- and a ...

Analyzing Mixing Inhomogeneity in a Microfluidic Device by Microscale Schlieren Technique

تحليل خلط التجانس في جهاز ميكروفلويديك التي كتبها الميكروسكيل انعراجي تقنية

In this paper, we introduce the use of microscale schlieren technique to measure mixing inhomogeneity in a microfluidic device. The microscale schlieren ...

In Situ Mapping of the Mechanical Properties of Biofilms by Particle-tracking Microrheology

In Situ Mapping of the Mechanical Properties of Biofilms by Particle-tracking Microrheology

في الموقع خارطة الخواص الميكانيكية لالأغشية الحيوية التي تتبع الجسيمات Microrheology

Bacterial cells are able to form surface-attached biofilm communities known as biofilms by encasing themselves in extracellular polymeric substances ...

Microbiologically Induced Calcite Precipitation Mediated by Sporosarcina pasteurii

Microbiologically Induced Calcite Precipitation Mediated by Sporosarcina pasteurii

المستحثة الميكروبيولوجية الكالسيت الهطول وساطة من قبل<em&gt; Sporosarcina pasteurii</em

The particular bacterium under investigation here (S. pasteurii) is unique in its ability, under the right conditions, to induce the hydrolysis of urea ...

A Millimeter Scale Flexural Testing System for Measuring the Mechanical Properties of Marine Sponge Spicules

نظام ملليمتر اختبار العاطفة مقياس لقياس الخواص الميكانيكية للاسفنج البحري سبيكوليس

Many load bearing biological structures (LBBSs)&#8212;such as feather rachises and spicules&#8212;are small (&#60;1 mm) but not microscopic. Measuring the ...

Outer-Boundary Assisted Segmentation and Quantification of Trabecular Bones by an Imagej Plugin

وساعد خط الحدود الخارجي تجزئة والتحديد الكمي للعظام ترابيكولار بالبرنامج المساعد إيماجيج

Micro-computed tomography (micro-CT) is routinely used to assess bone quantity and trabecular microstructural properties in small animals under different ...

Biaxial Mechanical Characterizations of Atrioventricular Heart Valves

بياكسيال الخصائص الميكانيكية لصمامات القلب بي

Extensive biaxial mechanical testing of the atrioventricular heart valve leaflets can be utilized to derive&#160;optimal parameters used in constitutive ...

Molecular Spring Constant Analysis by Biomembrane Force Probe Spectroscopy

الجزيئية الربيع التحليل المستمر من قبل التحليل الطيفي قوة قوة Biomembrane

A biomembrane force probe (BFP) has recently emerged as a native-cell-surface or in situ dynamic force spectroscopy (DFS) nanotool that can measure ...