Anwendungshinweis | ElastoSens™ Bio
Messung der mechanischen Eigenschaften der Haut mit ElastoSens™ Bio
Einleitung
Die Haut ist nicht nur das größte Organ des Körpers, sondern auch eine dynamische mechanische Barriere, die vor Umwelteinflüssen schützt, den Wasserhaushalt reguliert und zur Sinneswahrnehmung beiträgt. Ihre Funktion hängt in hohem Maße von der strukturellen Anordnung von Kollagen, Elastin und anderen dermalen Bestandteilen ab, die gemeinsam einzigartige mechanische Eigenschaften wie Elastizität, Steifigkeit und Viskoelastizität hervorbringen. Die Messung dieser Eigenschaften liefert Erkenntnisse darüber, wie die Haut auf Kräfte im Alltag reagiert – von Dehnung und Kompression bis hin zu Scherkräften. Durch deren Untersuchung können Wissenschaftler und Kliniker besser verstehen, wie gesunde Haut funktioniert, frühe Anzeichen von Erkrankungen erkennen und Therapien entwickeln, die die Funktionsfähigkeit wiederherstellen oder erhalten.
Wichtige mechanische Eigenschaften der Haut
Elastizität
Die Elastizität spiegelt die Fähigkeit der Haut wider, nach einer Verformung wieder in ihre ursprüngliche Form zurückzukehren. Sie wird in erster Linie durch das Netzwerk elastischer Fasern bestimmt, das es der Haut ermöglicht, sich nach einer Dehnung oder einer Saugbelastung wieder zu entspannen. Klinische Studien zeigen, dass die Elastizität mit zunehmendem Alter deutlich abnimmt, was sich auf die Festigkeit und das äußere Erscheinungsbild der Haut auswirkt.
Steifigkeit
Die Steifigkeit beschreibt, wie widerstandsfähig die Haut gegenüber Verformungen unter Belastung ist. Sie wird stark von der Kollagenorganisation in der Dermis beeinflusst, wobei die anatomische Lage und das Alter wichtige Determinanten darstellen. Forschungsergebnisse zeigen, dass tiefere Schichten, wie beispielsweise die retikuläre Dermis, im Allgemeinen steifer sind als oberflächliche papilläre Schichten und dass die Steifigkeit im Laufe des Lebens zunehmend abnimmt.
Viskoelastizität
Die Haut zeigt unter Belastung sowohl viskose als auch elastische Reaktionen, was bedeutet, dass sich ein Teil der Verformung sofort zurückbildet, während sich ein anderer Teil erst im Laufe der Zeit langsam zurückbildet. Dieses viskoelastische Verhalten spiegelt das Zusammenspiel von Kollagen, Elastin und der extrazellulären Matrix wider und ist entscheidend für die Fähigkeit der Haut, kontinuierlichen oder wiederholten mechanischen Belastungen standzuhalten.
Anisotropie
Die mechanische Reaktion der Haut variiert je nach Richtung der ausgeübten Kraft – eine Eigenschaft, die als Anisotropie bezeichnet wird. Diese Richtungsabhängigkeit hängt mit der Ausrichtung der Kollagenfasern zusammen (z. B. entlang der Langer-Linien) und beeinflusst, wie sich die Haut in verschiedenen Körperregionen dehnt oder einem Reißen widersteht.
Zusammenhang zwischen Erkrankungen und den mechanischen Eigenschaften der Haut
Systemische Sklerose
Bei der systemischen Sklerose wird die Haut aufgrund übermäßiger Kollagenablagerungen und Fibrose deutlich steifer und weniger elastisch. Die Messung mechanischer Parameter wie verminderter Elastizität oder erhöhter Härte hilft bei der Beurteilung des Krankheitsverlaufs und der Behandlungsergebnisse.
Morphea und lokalisierte Sklerodermie
Lokalisierte fibrotische Erkrankungen wie Morphea verändern die Steifigkeit und Dicke der Haut. Mechanische Untersuchungsmethoden, insbesondere die Saug- und Indentationsmethode, können diese Veränderungen quantifizieren und dienen somit sowohl der Diagnose als auch der Überwachung des Behandlungsverlaufs.
Lichtbedingte Hautalterung
Chronische UV-Exposition beschleunigt den Abbau von Kollagen und elastischen Fasern, was zu einer verminderten Elastizität und erhöhter Hauterschlaffung führt. Mechanische Messungen zeigen, dass sich lichtgealterte Haut nach einer Verformung weniger gut erholt, was das klinische Erscheinungsbild von Falten und Hauterschlaffung erklärt.
Verbrennungsnarben und Fibrose
Narbengewebe und fibrotische Umbauprozesse nach Verbrennungen verändern die viskoelastischen Eigenschaften der Haut erheblich, was häufig zu einer übermäßigen Steifigkeit und einer verminderten Nachgiebigkeit führt. Die objektive Messung dieser Eigenschaften wird zunehmend eingesetzt, um die Narbenreifung zu verfolgen und therapeutische Maßnahmen zu bewerten.
Wie die Mechanik des Hautgewebes bewertet wird
In-vivo-Verfahren (Kliniken)
In der klinischen Praxis werden die mechanischen Eigenschaften der Haut in der Regel mit nicht-invasiven Verfahren wie dem Saugtest, der Indentation oder der Torsionsbelastung untersucht. Bei diesen Methoden wird eine sanfte mechanische Kraft direkt auf die Hautoberfläche ausgeübt, um zu erfassen, wie sich das Gewebe verformt und wieder zurückbildet. Da sie sicher und schnell an Patienten durchgeführt werden können, finden sie breite Anwendung bei der Beurteilung von Elastizität, Festigkeit und Viskoelastizität im Zusammenhang mit Alterung, Erkrankungen oder dem Ansprechen auf Behandlungen. Ihr Wert liegt darin, standardisierte, reproduzierbare Messwerte zu liefern, die das „Gefühl“ der Haut in objektive Daten umsetzen und damit die Dermatologie, die plastische Chirurgie und die Kosmetikwissenschaft unterstützen.
Ex-vivo-Verfahren (Forschung)
Im Forschungsumfeld ermöglicht die mechanische Untersuchung entnommener Hautproben eine eingehendere Erforschung des strukturellen Verhaltens des Gewebes. Bei Zugversuchen kann die Haut bis zum Versagen gedehnt werden, wodurch Spannungs-Dehnungs-Beziehungen sichtbar werden; durch Eindrückversuche lässt sich die lokale Steifigkeit ermitteln; Torsionsversuche dienen der Beurteilung der Verdrehfestigkeit; und rheologische Verfahren ermöglichen die Erfassung viskoelastischer Eigenschaften. Da die Proben Schicht für Schicht untersucht werden können, sind Forscher in der Lage, strukturelle Merkmale wie Kollagen- und Elastin-Netzwerke mit dem makroskopischen mechanischen Verhalten der Haut in Verbindung zu bringen. Diese Ex-vivo-Methoden liefern ein detailliertes Bild der Hautbiomechanik, das in vivo nicht erreicht werden kann, und tragen so zur Weiterentwicklung von Bereichen wie der regenerativen Medizin, der Entwicklung von Biomaterialien und der Entwicklung von Therapien bei, die auf altersbedingte oder pathologische Veränderungen abzielen.
Fallstudie: Mechanische Charakterisierung von Hautgewebe mit ElastoSens™ Bio
ElastoSens™ Bio: Ein berührungsloses Verfahren zur Ex-vivo-Gewebeuntersuchung
Auf dem Gebiet der Hautbiomechanik ist das ElastoSens™ Bio bietet eine fortschrittliche Methode für Ex-vivo-Untersuchungen. Dieses Gerät misst die viskoelastischen Eigenschaften der Haut kontinuierlich und zerstörungsfrei und gewährleistet so, dass die Integrität der Probe während des gesamten Experiments erhalten bleibt. Seine Technologie ermöglicht eine präzise Charakterisierung weicher biologischer Gewebe und unterstützt wiederholte Messungen über einen längeren Zeitraum unter kontrollierten Umgebungsbedingungen, wodurch die durch herkömmliche mechanische Untersuchungen gewonnenen Informationen ergänzt und erweitert werden.
Um das Potenzial des ElastoSens™ Bio aufzuzeigen, haben wir eine Ex-vivo-Studie an Hautproben durchgeführt. Im folgenden Abschnitt werden die in diesem Experiment verwendeten Materialien und Methoden vorgestellt; anschließend werden die Ergebnisse dargelegt, die ein praktisches Anwendungsbeispiel für das Gerät bieten.
Material und Methoden
Schafs- und Rinderhaut wurden frisch von einem örtlichen Bauernhof bezogen. Die Proben wurden auf eine Dicke von etwa 1,8 mm zugeschnitten, was der Epidermis und Dermis ohne darunterliegende Hypodermis entspricht, und in kreisförmige Stanzteile geschnitten, um sie in die ElastoSens™ Bio-Membranhalter einzulegen (Abbildung 1). Um ein Austrocknen zu verhindern, wurden die Proben vor der Untersuchung über Nacht bei 4 °C in phosphatgepufferte Kochsalzlösung (PBS) getaucht. Anschließend wurde jede Probe zur Temperierung 1 Stunde lang bei 25 °C in das ElastoSens™ Bio-Gerät eingelegt. Vor der Messung wurde überschüssige PBS vorsichtig entfernt.
Das Gerät lieferte viskoelastische Parameter in Echtzeit, darunter den Scherspeichermodul (G′) und den Scherverlustmodul (G″). Für jede Bedingung wurden die Ergebnisse als Mittelwerte aus drei Proben angegeben, die aus verschiedenen Bereichen derselben Hautschicht entnommen wurden (n = 3).
Abbildung 1. Hautgewebe von Schafen und Kühen wurde aufbereitet und in die ElastoSens™ Bio-Membranhalter eingesetzt, um eine zerstörungsfreie viskoelastische Charakterisierung durchzuführen. Das obere Bild zeigt die intakte Hautprobe vor dem Schneiden, und das untere Bild zeigt repräsentative Hautabschnitte, die zur Untersuchung in den Haltern eingespannt sind.
Ergebnisse und Diskussion
Die viskoelastischen Eigenschaften von Schafs- und Rinderhaut wurden mithilfe des ElastoSens™ Bio-Prüfsystems untersucht (Abbildung 2). Bei Schafshaut betrug der Scherspeichermodul (G′) im Durchschnitt 6,11 ± 1,62 kPa (n = 3), während Rinderhaut einen etwas niedrigeren Wert von 4,92 ± 0,24 kPa (n = 3) aufwies. Manan et al. (2015) untersuchten Rinderhaut aus dem Bereich der Gesäßbeuge (~3 mm dick, Epidermis + Dermis, ohne Subkutis) mittels einachsiger Zugbeanspruchung und berichteten einen durchschnittlichen Elastizitätsmodul von 12,57 MPa, was einem Schermodul bei geringer Dehnung von etwa 94 kPa entspricht.
Unterschiede zwischen unseren Werten und den in der genannten Quelle angegebenen Werten lassen sich auf Abweichungen bei der Prüftechnik und den Prüfbedingungen zurückführen, darunter die Verformungsart (Zug gegenüber Scherung), das Dehnungsniveau, die Temperatur und die Prüfdauer sowie die Probenvorbereitung und die Messrichtung. Insgesamt untersucht das ElastoSens™ Bio hydratisierte Proben unter oszillierender Scherbeanspruchung bei geringer Dehnung – Bedingungen, die das nachgiebige Verhalten des Gewebes erfassen und dessen Struktur erhalten. Dieser im kPa-Bereich liegende Modul liefert daher eine physiologisch relevante Darstellung der Haut in ihrer natürlichen Funktion als schützende und belastbare Barriere.
Abbildung 2: Viskoelastische Eigenschaften von Hautgewebe bei Schafen und Rindern: Mit dem zerstörungsfreien Prüfsystem ElastoSens™ Bio ermittelter Scherspeichermodul (G′) (Mittelwert ± Standardabweichung, n = 3).
Schlussfolgerungen und Ausblick
Die mechanischen Eigenschaften des Hautgewebes – definiert durch Elastizität, Viskoelastizität und strukturelle Anisotropie – sind von grundlegender Bedeutung für das Verständnis seiner physiologischen Funktionen in Bezug auf Schutz, Barrierefunktion und sensorische Wahrnehmung. Die zerstörungsfreie viskoelastische Prüfung mit dem ElastoSens™ Bio ermöglicht eine zuverlässige Quantifizierung der Hautmechanik und erfasst dabei Schlüsselparameter wie den Scherspeichermodul (G′) und den Scherverlustmodul (G″). Dieser Ansatz liefert präzise und reproduzierbare Daten und bietet damit eine solide Grundlage sowohl für die biomedizinische Forschung als auch für translationale dermatologische Studien. Über diese Erkenntnisse hinaus bietet das ElastoSens™ Bio einzigartige Vorteile für die Haut- und Weichteilforschung:
- Die einfache Zubereitung und Vorbereitung minimieren den Handhabungsaufwand und gewährleisten gleichzeitig die Flüssigkeitszufuhr sowie die strukturelle Integrität.
- Dank hoher Empfindlichkeit und Wiederholgenauigkeit lassen sich an verschiedenen anatomischen Stellen konsistente Messungen durchführen, wodurch regionale Schwankungen erfasst werden.
- Artenübergreifende Vergleichsstudien erleichtern die translationale Forschung, indem sie die Hautmechanik in Tiermodellen und beim Menschen direkt miteinander vergleichen.
- Die Vielseitigkeit der Plattform ermöglicht die Untersuchung verschiedener Weichteile und Biomaterialien unter identischen Bedingungen, wodurch sie sich für die Entwicklung von Hautersatzmaterialien, Gerüsten oder Materialien zur Wundheilung eignet.
- Eine kontrollierte Inkubation und wiederholte Untersuchungen ermöglichen die Überwachung viskoelastischer Veränderungen im Zeitverlauf, unabhängig davon, ob diese auf Alterung, UV-Einwirkung, pharmakologische Behandlung oder pathologische Zustände zurückzuführen sind.
- Auch Anwendungen im Bereich des künstlich hergestellten Gewebes profitieren von zerstörungsfreien, wiederholten Messungen, die die dynamische Entwicklung bioingenieurtechnisch hergestellter Hautkonstrukte widerspiegeln.
Insgesamt machen diese Eigenschaften das ElastoSens™ Bio zu einem leistungsstarken Instrument, um unser Verständnis der Biomechanik der Haut zu vertiefen, die vergleichende Physiologie zu unterstützen und als Orientierung für die Entwicklung von Biomaterialien und Therapien zu dienen, die darauf abzielen, die Hautfunktion wiederherzustellen oder zu verbessern.
Literaturverzeichnis
Kalra, A., Lowe, A., & Al-Jumaily, A. M. (2016). Mechanical behaviour of skin: a review. J. Mater. Sci. Eng, 5(4), 1000254.
Lynch, B., Pageon, H., Le Blay, H., Brizion, S., Bastien, P., Bornschlögl, T., & Domanov, Y. (2022). A mechanistic view on the aging human skin through ex vivo layer-by-layer analysis of mechanics and microstructure of facial and mammary dermis. Scientific reports, 12(1), 849.
Junker, H. J., Thumm, B., Halvachizadeh, S., & Mazza, E. (2023). A quantitative comparison of devices for in vivo biomechanical characterization of human skin. Mechanics of soft materials, 5(1), 5.
Luebberding, S., Krueger, N., & Kerscher, M. (2014). Mechanical properties of human skin in vivo: a comparative evaluation in 300 men and women. Skin Research and Technology, 20(2), 127-135.
Manan, N. F. A., Mahmud, J., & Jumahat, A. (2015). Biomechanical behaviour of bovine skin: An experiment-theory integration and finite element simulation. Jurnal Teknologi, 76(10), 103–111.
Erfahren Sie, wie unsere Technologie die viskoelastischen Eigenschaften weicher Biomaterialien und Gewebe mithilfe von Mikrovolumina der Proben zerstörungsfrei misst.
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