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Piuma生物納米壓痕儀在軟骨硬度在微觀和宏觀尺度上的空間變化的應用

2022-8-22　閱讀(1914)

目的：關節軟骨作為承重表面，其特征在于非均質性和多帶狀組織。頂層是關節軟骨的第一個受累區，這是由于骨關節炎等退行性疾病的結果。壓痕實驗能夠確定軟骨表層的位點依賴性（粘性）彈性特性。我們已經建立了一種可重復的微壓痕方法來測量大鼠膝關節軟骨的表層剛度，并確定一個膝關節隔室內，內側和側隔室之間，一只動物的左膝蓋和右膝蓋之間以及動物之間的空間變化。

方法：使用帶有球形壓頭的位移控制納米壓頭機（荷蘭Piuma）（Optics11）在大鼠脛骨樣品（Harlan，Wistar，男性，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，并用補充蛋白酶抑制劑的PBS溶液覆蓋（德國羅氏）。應用了不同的探頭尺寸（范圍50-150微米）和壓痕深度（范圍4-12微米），并在900×900μm的區域內測試了多個壓痕的再現性（圖1）。軟骨的有效彈性模量是基于Oliver-Pharr理論計算的，用于具有球形壓頭的壓痕。

結果：實驗的再現性，在同一位置的不同時間點應用單個壓痕，僅發現5%的變化。然而，在900x900μm區域內軟骨硬度的空間變化是巨大的，高達20倍的變化（圖2）。因此，需要至少一系列144個壓痕（12×12網格，點與點之間的距離為82μm）才能在該區域上找到可重現的剛度圖，并為該區域提供可重現的平均值。對于所有動物，膝蓋的側隔室比內側隔室硬得多（表1，P值<0.01）。此外，我們還發現動物之間的有效模量存在相當大的差異，并且每種動物內左右膝關節模量之間的變異性甚至更高（表2，P值<0.001）。

結論：大鼠膝關節軟骨組織表層的有效彈性模量可重復測量。由于存在廣泛的空間變化，因此需要大量的壓痕才能獲得區域的適當剛度圖。內側和外側隔室之間的巨大變化可能表明該大鼠菌株在關節的內側和外側的特定負荷模式可能與解剖結構有關。令人驚訝的是，左膝和右膝的軟骨硬度之間存在很大差異，這表明對一條腿的負荷偏好，也可能與被安置在相對較小的籠子中的大鼠的相對久坐的情況有關，沒有太多的活動選擇。