Piuma納米壓痕技術(shù)已廣泛應(yīng)用于硬動(dòng)物器官的生物材料剛度研究，例如骨骼25、耳內(nèi)、鼻翼和鼻外隔細(xì)胞和細(xì)胞外基質(zhì) （ECM） 水平24，26，在膝關(guān)節(jié)22，在關(guān)節(jié)軟骨中23.其他例子是人類供體角膜27、纖維化腸組織30、胰腺無細(xì)胞支架31、軟板28尤其是鈣化的動(dòng)脈瘤腹主動(dòng)脈29.該技術(shù)在測(cè)量軟生物材料，特別是離體器官的剛度方面的可行性和可靠性尚不清楚。與硬質(zhì)生物材料相比，軟質(zhì)生物材料的某些性能，如粘彈性和附著力，更容易出現(xiàn)納米壓痕的偏差。我們的研究是第一個(gè)使用這項(xiàng)技術(shù)在體外測(cè)試軟生物器官的剛度，特別是來自小鼠的剛度，這些器官廣泛用于模擬人類和動(dòng)物疾病。我們應(yīng)用了Piuma納米壓痕技術(shù)，該技術(shù)易于使用，并利用特定的探針來測(cè)量楊氏模量，以匹配組織的特定樣品特性42，43，44 .不同的組織具有不同的機(jī)械性能，因此，應(yīng)在具有某些特殊特征的組織中應(yīng)用不同的方案45.由于在實(shí)驗(yàn)前無法判斷被測(cè)樣品的特征，因此我們分析了加載和卸載零件的彈性行為檢測(cè)。除了系統(tǒng)的運(yùn)行和測(cè)量策略的開發(fā)外，組織的制備和固定也非常重要。不規(guī)則的組織無法測(cè)試，因?yàn)樵撛O(shè)備只能識(shí)別平坦穩(wěn)定的表面，并且剛度的計(jì)算會(huì)受到樣品狀況的影響。例如，如果被測(cè)表面是斜率（補(bǔ)充1，圖1A），則接觸區(qū)域不會(huì)被探頭縮進(jìn)，這意味著失去深度和力可能導(dǎo)致剛度測(cè)量錯(cuò)誤。球狀器官（補(bǔ)充1圖1B）也是不可測(cè)試的，因?yàn)樗跍y(cè)量過程中不能穩(wěn)定。此外，由于組織邊緣的障礙物，該技術(shù)不可能測(cè)試下沉的表面（補(bǔ)充1圖1C）。塊狀表面（補(bǔ)充1圖1D）不僅會(huì)影響測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，還會(huì)導(dǎo)致探頭懸臂因卡住而損壞。一起，需要以適當(dāng)?shù)男螤詈痛笮≈苽淇蓽y(cè)試的被測(cè)組織。我們確實(shí)克服了納米壓痕技術(shù)的可行性和可靠性的這些可能限制，該技術(shù)通過使用以適當(dāng)方式解剖的孤立腎臟，肝臟，脾臟和子宮來測(cè)量軟器官硬度。我們通過對(duì)該技術(shù)與Matrigen水凝膠的比較研究證實(shí)了結(jié)果的可行性和可靠性。在給定剛度，穩(wěn)定形狀，適當(dāng)厚度和平坦表面的Matrigen水凝膠作為質(zhì)量控制，盡管它們給定的剛度不被認(rèn)為是黃金標(biāo)準(zhǔn)。然而，我們的Bland-Altman圖、ICC和COV證明了所用凝膠的良好可靠性。因此，我們得出結(jié)論，納米壓痕技術(shù)在我們的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境和這種材料上運(yùn)行良好且可靠。

接下來，我們測(cè)試了該技術(shù)在體外測(cè)量四個(gè)器官的硬度，即腎臟，肝臟，脾臟和子宮。盡管Bland-Altman圖沒有給我們提供許多不合格的結(jié)果，但不同模型中四種器官硬度的結(jié)果的可靠性只能通過比較ICC和COV來驗(yàn)證。在四個(gè)器官中，所有赫茲模型的結(jié)果都遵循ICC的量化標(biāo)準(zhǔn)，COVs顯示出可靠的結(jié)果。JKR或Oliver & Pharr模型的結(jié)果并不總是符合高質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。觀察到差異的原因可能取決于樣品在卸載狀態(tài)下的粘性差異。

例如，在JKR模型中，即使在相同的樣品上，一些斑點(diǎn)是粘性的，而一些單個(gè)壓痕顯示沒有粘附，如圖所示。1E，這將增加測(cè)試和重新測(cè)試之間的差異。因此，我們的結(jié)果表明，在強(qiáng)制壓痕下，最好使用赫茲模型計(jì)算所研究的四個(gè)器官的硬度。值得注意的是，該模型已被其他研究人員使用，他們?cè)谘芯恐欣昧思{米壓痕技術(shù)。27，28，29 ，而其他研究沒有報(bào)告使用的模型30，31.此外，將子宮與其他三個(gè)器官的結(jié)果進(jìn)行比較，我們發(fā)現(xiàn)即使在赫茲模式下，根據(jù)Eff計(jì)算硬度的情況下子宮的COV值為11.6893%，在根據(jù)E計(jì)算剛度的情況下，子宮的COV值為14.1841%，非常接近閾值，遠(yuǎn)高于赫茲模型中其他三個(gè)器官的COV值。這表明重復(fù)測(cè)量子宮之間的差異大于肝臟，腎臟和脾臟的變異性。一個(gè)可能的原因是子宮比其他三個(gè)器官更小更薄，在實(shí)驗(yàn)過程中，我們發(fā)現(xiàn)更小更薄的器官子宮的邊緣更容易卷起，導(dǎo)致類似情況如補(bǔ)充1圖1B所示，預(yù)計(jì)會(huì)影響測(cè)量結(jié)果。因此，該方法在體外較大較厚的軟器官中的可靠性較好。

此外，納米壓痕的成功應(yīng)用在很大程度上取決于材料特征，例如被測(cè)組織的形狀;測(cè)量具有復(fù)雜粗糙表面的生物材料往往很困難。當(dāng)一個(gè)組織被手工轉(zhuǎn)化為可以測(cè)試的材料時(shí)，不知道它的彈性是否保持與原始器官的彈性相同的性質(zhì)，以及器官的部分彈性是否可以代表其整體彈性。因此，對(duì)于某些器官研究，體內(nèi)測(cè)試可能是提供器官機(jī)械性能詳細(xì)見解的更好甚至的選擇。然而，體內(nèi)測(cè)試在測(cè)量過程中可能會(huì)受到其他因素的干擾和影響，因此納米壓痕器可以直接與目標(biāo)材料接觸進(jìn)行測(cè)量可能是一個(gè)優(yōu)勢(shì)。目前，該技術(shù)的應(yīng)用存在較多的局限性和不足。例如，其有效性和真實(shí)性仍需進(jìn)一步驗(yàn)證，生物材料納米壓痕的標(biāo)準(zhǔn)化程序尚未建立。因此，我們不能肯定它是否會(huì)成為軟器官和組織機(jī)械生物學(xué)和生物力學(xué)研究中的工具。然而，隨著這項(xiàng)技術(shù)的研發(fā)越來越深入，我們預(yù)計(jì)它將有很大的機(jī)會(huì)應(yīng)用于軟器官生理學(xué)和病理學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域的研究。

Piuma納米壓痕技術(shù)是一種簡(jiǎn)單可行的離體器官硬度測(cè)試方法，如腎臟，肝臟，脾臟和子宮。在表面無序的小而薄的組織中，我們預(yù)計(jì)結(jié)果的變化會(huì)增加。赫茲模型是體外測(cè)量軟器官和生物材料的被動(dòng)力學(xué)性能的方法。JKR和Oliver & Pharr模型沒有提供可靠的結(jié)果。

原文鏈接：評(píng)估納米壓痕在軟生物材料硬度測(cè)量中的應(yīng)用：腎臟、肝臟、脾臟和子宮 |科學(xué)報(bào)告