マイクロピペット吸引による多層生体材料における層固有の機械的特性の測定

多くの生体材料と組織は、個々の層に機械的挙動に影響を与え、局所細胞微小環境を定義する明確な機械的特性を持つ複雑な多層構造です。無傷の組織における個々の層の機械的特性の特性は、技術的に困難です。マイクロピペット吸引（MA）は、ソフトシングルレイヤー生体材料の局所機械的特性を分析するための実証済みの方法ですが、多層構造へのその適用性は実証されていません。無傷の多層生体材料または組織の最上層のみの機械的特性の測定を可能にするMA実験パラメーターを決定および検証しようとしました。そのために、多層ゼラチンシステムを使用して、パラメトリック非線形有限要素（FE）分析と検証実験を実行しました。パラメトリックFE分析では、多層構造の最上層のみの特性の測定がピペットの内径（d）と最上層の厚さ（TTOP）の比に敏感であり、最上層モジュラスの正確な測定にはD/TOP <1が必要であることが実証されました。これらの予測は、ゼラチン系のMAによって実験的に確認されました。このアプローチと逆Fe法を使用して、無傷のブタ大動脈弁リーフレットのフィブローサ層の平均有効弾性率は、解剖された層の引張​​試験によって得られたデータと一致して、心室層のそれよりも大きいと判断されました（p <0.01）。この研究は、無傷の多層生体材料と組織の単一層の機械的特性を測定するためのMAを使用するための実用的なガイドラインを提供します。

Many biomaterials and tissues are complex multilayered structures in which the individual layers have distinct mechanical properties that influence the mechanical behavior and define the local cellular microenvironment. Characterization of the mechanical properties of individual layers in intact tissues is technically challenging. Micropipette aspiration (MA) is a proven method for the analysis of local mechanical properties of soft single-layer biomaterials, but its applicability for multilayer structures has not been demonstrated. We sought to determine and validate MA experimental parameters that would permit measurement of the mechanical properties of only the top layer of an intact multilayer biomaterial or tissue. To do so, we performed parametric nonlinear finite-element (FE) analyses and validation experiments using a multilayer gelatin system. The parametric FE analyses demonstrated that measurement of the properties of only the top layer of a multilayer structure is sensitive to the ratio of the pipette inner diameter (D) to top layer thickness (ttop), and that accurate measurement of the top layer modulus requires D/ttop<1. These predictions were confirmed experimentally by MA of the gelatin system. Using this approach and an inverse FE method, the mean effective modulus of the fibrosa layer of intact porcine aortic valve leaflets was determined to be greater than that of the ventricularis layer (P<0.01), consistent with data obtained by tensile testing of dissected layers. This study provides practical guidelines for the use of MA to measure the mechanical properties of single layers in intact multilayer biomaterials and tissues.