مقایسه ساختار نانوبیومکانیکی سلول لیگامان صلیبی قدامی آسیب دیده بین مردان ورزشکار و غیرورزشکار

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دکتری بیومکانیک ورزشی، گروه بیومکانیک و آسیب شناسی ورزشی، دانشکده تربیت بدنی و علوم ورزشی، دانشگاه خوارزمی، تهران، ایران

2 استاد تمام بیومکانیک ورزشی، دانشکده تربیت بدنی و علوم ورزشی، دانشگاه خوارزمی تهران

3 استادیار گروه بیومکانیک و آسیب شناسی ورزشی، دانشکده تربیت بدنی و علوم ورزشی، دانشگاه خوارزمی، تهران، ایران

4 استاد تمام گروه فیزیوتراپی دانشکده توانبخشی، دانشگاه علوم پزشکی ایران، تهران، ایران

چکیده

مقدمه و اهداف
مفصل زانو یکی از پیچیده­ترین و بزرگ­ترین مفاصل سینوویال موجود در بدن می­باشد که به جهت موقعیت قرارگیری و نوع استرس­های فیزیکی وارد بر آن، در ضایعات ضربه­ای ناشی از ورزش و تصادفات در معرض ابتلا به آسیب قرار دارد. همچنین از آنجایی که هیچ تحقیقی تفاوت بین مکانیک بافت سلولی بیماران و ورزشکاران را به صورت فراساختاری و نانو بررسی نکرده است، مطالعه حاضر با هدف مقایسه ساختار نانوبیومکانیکی سلول لیگامان صلیبی قدامی آسیب­دیده بین مردان ورزشکار و غیرورزشکار، می­تواند در توسعه علم بیومکانیک سلول و کامل شدن دانش در حیطه مکانیک بدن انسان بسیار مؤثر باشد.
مواد و روش ­ها
در مطالعه حاضر نمونه­های آماری شامل 7 مرد ورزشکار و 7 مرد غیرورزشکار با آسیب لیگامان صلیبی قدامی بودند که به صورت در دسترس انتخاب شدند. توسط جراح ارتوپد مخصوص هر آزمودنی، نمونه بافت گرفته شد و برای بررسی تعداد و قطر فیبریل­ها، رافنس و توپوگرافی سلول با میکروسکوپ نیروی اتمی آماده­سازی شدند. در نهایت نیز تصاویر و داده­های به دست آمده توسط نرم­افزار تحلیل تصویر (Dual Scope ™/Raster Scope ™-SPM) محاسبه شد. تحلیل آماری داده­ها در سطح معنا‎داری 05/0 با استفاده از نرم­افزار SPSS انجام و جهت مقایسه داده­ها از آزمون آماری t مستقل برای نمونه­های مستقل استفاده شد.
یافته ­ها
یافته­ ها نشان داد که ساختار نانوبیومکانیکی سلول لیگامان صلیبی قدامی آسیب­دیده، شامل میزان رافنس سطح (nm)، تعداد فیبریل در هر واحد و قطر فیبریل (nm)، بین مردان ورزشکار و غیرورزشکار متفاوت است. همچنین تصاویر توپوگرافی گرفته­شده از نواحی مختلف بافت لیگامان آسیب­دیده به­صورت دوبعدی و سه­بعدی در برش­های طولی و عرضی این دو گروه، در بعضی از نواحی آرایش نامنظمی از فیبریل­های کلاژنی را نشان دادند و فیبریل­ها در یک جهت نبودند.
نتیجه­ گیری
با توجه به میانگین نسبی ورزشکاران در متغیرهای تحقیق حاضر و همچنین با در نظر گرفتن اینکه عضلات اطراف ناحیه زانو در ورزشکاران قوی­تر از غیرورزشکاران است، عضلات مجاور فشار را از روی ACL برداشته و باعث شده است که بین ویژگی­های مکانیکی سلول و بافت ACL مردان ورزشکار و غیرورزشکار در مطالعه حاضر تفاوت وجود داشته باشد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Comparison of Nano-Biomechanical Structure of Injured Anterior Cruciate Ligament Cell between Athletic and Non-Athletic Men

نویسندگان [English]

  • Parastoo Shamsehkohan 1
  • Haider Sadeghi 2
  • Mehdi Khaleghi 3
  • Esmail Ebrahimi Takamjani 4
1 PhD of Sport Biomechanics, School of Physical Education and Sport Sciences, Kharazmi University of Tehran, Tehran, Iran
2 Full Professor of Sport Biomechanics, School of Physical Education, Kharazmi University of Tehran
3 Assistant Professor of Sport Biomechanics, School of Physical Education and Sport Sciences, Kharazmi University of Tehran, Tehran, Iran
4 Full Professor of Physiotherapy, School of Rehabilitation, Iran University of Medial Sciences, Tehran, Iran
چکیده [English]

Background and Aim: The knee joint is one of the most complex and largest synovial joints in the body, which is injured in sports injuries and accidents, due to its location and the type of physical stress it entails. Also, no previous research has reviewed the difference between the mechanics of patients' and athletes' tissue in the form of ultrastructural and nano analysis. The present study was carried out with the aim of comparing the nano-biomechanical structure of injured anterior cruciate ligament cell between athletic and non-athletic men to improve the science of cell biomechanics and to help better the knowledge in the field of human body mechanics.
Materials and Methods: In the current study, statistical samples were seven athletes and seven non-athlete men with anterior cruciate ligament injury. Tissue samples were obtained by each participants' orthopedic surgeon and they were prepared to determine the number and diameter of fibrils, roughness, and cell topography by atomic force microscopy. Finally, the obtained images and data were calculated using the Dual Scope ™ / Raster Scope ™ (SPM) software. Statistical analysis of the data was done using SPSS software set at the significance level of 0.05 running independent samples T-test.
Results: The findings showed that the nano-biomechanical structure of damaged anterior cruciate ligament cell, including the level of roughness (nm), the number of fibrils per unit, and fibrils diameter (nm), were different between athletic and non-athletic men. Also, topographic images taken from different regions of two-dimensional and three-dimensional injured ligament tissue in longitudinal and transverse sections of these groups showed some irregular makeup areas of collagen fibers, and fibrils were not in the same direction.
Conclusion: Regarding the relative mean of athletes in the present study and also considering that the muscles around the knee area in athletes are stronger than non-athletes, the adjacent muscles removed the pressure from the ACL and caused the differences between mechanical properties of the cell and the ACL tissue among athletes and non-athlete in the present study.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Nano-biomechanical structure
  • Injured Anterior Cruciate Ligament cell
  • Roughness
  • Topography of Tissue
  1. Brennan DA, Conte AA, Kanski G, Turkula S, Hu X, Kleiner MT, Beachley V. Mechanical considerations for electrospun nanofibers in tendon and ligament repair. Advanced Healthcare Materials. 2018; 7 (1): 62-77.##
  2. Haase K, Pelling AE. Investigating cell mechanics with atomic force microscopy. Journal of the Royal Society Interface. 2015; 12(104): 1-16. ##
  3. Brunella MF, Serafini A, Tanzi MC. Characterization of 2D polymeric biomaterial structures or surfaces. InCharacterization of Polymeric Biomaterials. 2017: 3-19. ##
  4. Stylianou A. Atomic force microscopy for collagen-based nanobiomaterials. Journal of Nanomaterials. 2017; https://doi.org/10.1155/2017/9234627. ##
  5. Hu S, Li J, Liu L, Dai R, Sheng Z, Wu X, Jiang Y. Micro/nanostructures and mechanical properties of trabecular bone in ovariectomized rats. International Journal of Endocrinology. 2015; 1-10. ##
  6. Stewart MP, Toyoda Y, Hyman AA, Muller DJ. Tracking mechanics and volume of globular cells with atomic force microscopy using a constant-height clamp. Nature Protocols. 2012; 7(1): 143-154. ##
  7. Chen HH, Lintner DM, Luo ZP. Observation of the ultrastructure of anterior cruciate ligament graft by atomic force microscopy. Scanning. 2009; 31(1): 19-23. ##
  8. Oncins MG, Diaz MJ. Atomic force microscopy: Probing the nanoworld. Capitol del llibre: Handbook of instrumental techniques for materials, chemical and biosciences research, Centres Cientifics i Tecnologics. Universitat de Barcelona, Barcelona, 2012. Part I. Materials technologies. 2012; 7: 10-18. ##
  9. Gong T, Lam DV, Liu R, Won S, Hwangbo Y, Kwon S, Kim J, Sun K, Kim JH, Lee SM, Lee C. Thickness dependence of the mechanical properties of free‐standing graphene oxide papers. Advanced Functional Materials. 2015; 25(24): 3756-3763. ##
  10. Shamsehkohan P, Sadeghi H. Overview of the mechanical function of tissue cells affecting human movement. Scientific Journal of Rehabilitation Medicine. 2017; 5(4): 271-281. ##
  11. Hu S, Li J, Liu L, Dai R, Sheng Z, Wu X, Jiang Y. Micro/nanostructures and mechanical properties of trabecular bone in ovariectomized rats. International Journal of Endocrinology. 2015; 1-10. ##
  12. Kim Y, Shin JH, Kim J. Atomic force microscopy probing for biomechanical characterization of living cells. In Biomedical Robotics and Biomechatronics, 2008. BioRob 2008. 2nd International Conference on IEEE. 889-894. ##
  13. Alcaraz J, Buscemi L, Grabulosa M, Trepat X, Fabry B, Farre R, Navajas D. Microrheology of human lung epithelial cells measured by atomic force microscopy. Biophysical Journal. 2003; 84(3): 2071-2079. ##
  14. Kuznetsova TG, Starodubtseva MN, Yegorenkov NI, Chizhik SA, Zhdanov RI. Atomic force microscopy probing of cell elasticity. Micron. 2007; 38(8): 824-833. ##
  15. McLean SG, Mallett, KF, Arruda EM. Deconstructing the anterior cruciate ligament: What we know and do not know about function, material properties, and injury mechanics. Journal of Biomechanical Engineering. 2015; 137(2): 1-19. ##
  16. Kwaees TA, Pearce A, Ring J, Sutton P, Charalambous CP. Nanotechnology and its applications in knee surgery. InMicro and Nanomanufacturing. 2018; 2(1): 35-53. Springer, Cham. ##
    1. Li H, Li J, Jiang J, Lv F, Chang J, Chen S, Wu C. An osteogenesis/angiogenesis-stimulation artificial ligament for anterior cruciate ligament reconstruction. Acta biomaterialia. 2017; 54: 399-410. ##
    2. Sanchez-Adams J, Athanasiou KA. Biomechanics of meniscus cells: regional variation and comparison to articular chondrocytes and ligament cells. Biomechanics and Modeling in Mechanobiology. 2012; 11(7): 1047-1056. ##
    3. Karunaratne A, Li S, Bull AM. Nano-scale mechanisms explain the stiffening and strengthening of ligament tissue with increasing strain rate. Scientific Reports. 2018; 8(1): 370-382. ##
    4. Gibson LJ. Biomechanics of cellular solids. Journal of Biomechanics. 2005; 38(3): 377-399. ##
    5. Janmey PA, Miller RT. Mechanisms of mechanical signaling in development and disease. Journal of Cell Science. 2011; 124(1): 9-18. ##
    6. Buxboim A, Ivanovska IL, Discher DE. Matrix elasticity, cytoskeletal forces and physics of the nucleus: how deeply do cells ‘feel’ outside and in? Journal of Cell Science. 2010; 123(3): 297-308. ##
    7. Bao G, Suresh S. Cell and molecular mechanics of biological materials. Nature Materials. 2003; 2(11): 715-725. ##
    8. Hashemi J, Chandrashekar N, Mansouri H, Slauterbeck JR, Hardy DM. The human anterior cruciate ligament: Sex differences in ultrastructure and correlation with biomechanical properties. Journal of Orthopaedic Research. 2008; 26(7): 945-950. ##
    9. Csintalan RP, Inacio MC, Funahashi TT. Incidence rate of anterior cruciate ligament reconstructions. The Permanente Journal. 2008; 12(3): 17-24. ##
    10. Wang Y, Xu C, Jiang N, Zheng L, Zeng J, Qiu C, Xie S. Quantitative analysis of the cell‐surface roughness and viscoelasticity for breast cancer cells discrimination using atomic force microscopy. Scanning. 2016; 38(6): 558-563. ##
    11. Svensson RB, Mulder H, Kovanen V, Magnusson SP. Fracture mechanics of collagen fibrils: Influence of natural cross-links. Biophysical Journal. 2013; 104(11): 2476-2484. ##