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Bioengineering

房室弁の二軸の機械特性

Published: April 9, 2019 doi: 10.3791/59170
Automatic Translation
*1, *1, 1, 1,2
1Biomechanics and Biomaterials Design Laboratory (BBDL), School of Aerospace and Mechanical Engineering, The University of Oklahoma, 2Institute for Biomedical Engineering, Science and Technology (IBEST), The University of Oklahoma
* These authors contributed equally

Summary

このプロトコルは、力が制御する房室弁尖の変位制御、および応力緩和 2 軸機械テスト手順。このプロトコルで取得した結果は、構成モデルの開発のため機能バルブ有限要素シミュレーションの枠組みの下での力学的挙動をシミュレートするために使用できます。

Abstract

心臓房室弁尖の広範な二軸機械試験は、それら構造物の力学的機能の数学的な表現を提供する構成のモデルで使用する最適なパラメーターを取得する使用できます。この提示された二軸機械試験プロトコルには、組織 (i) 買収、組織標本、(iii) 二軸機械テスト、および取得したデータの後処理 (iv) (ii) の準備が含まれます。まず、組織の買収は、弁尖を取得地元の食品から医薬品局承認後郭清の屠畜場にブタや羊の心を取得必要があります。第二に、ティッシュの準備は、リーフレット組織組織試料切断機を使用してテストの明確なゾーンを抽出する必要があります。リーフレット試験片の第三に、二軸機械試験力制御から構成され、商業二軸機械テスターを使用する必要変位、応力緩和試験リーフレット組織を特徴づけるためのプロトコルと機械的性質。最後に、後処理データ画像相関法と外部負荷に対する応答の組織の力学的挙動を要約する力と変位の測定値の使用が必要です。一般に、二軸試験からの結果はリーフレット組織が非線形、異方性の力学的応答をもたらすことを示しています。ここで紹介した方法で弁のリーフレットの組織のより包括的な評価のため独立したテスト プロトコルではなく、1 つの統一されたテスト方式ができるので提示された二軸試験手順は他の方法に有利であります。別の組織標本。テスト手法そのせん断応力には潜在的組織サンプルでは限界があります。ただし、任意の潜在的なせん断は無視できる程度と推定されます。

Introduction

適切な心臓の機能は、心臓の弁尖の適切な力学的挙動に依存します。心臓弁のリーフレットの力学が侵害された場合、心臓弁膜症が発生します、その他の心臓関連の問題につながる可能性があります。計算モデルと治療の開発で使用するためビラの適切な力学的挙動の理解を必要と心臓弁膜症を理解し、正確に健康を取得するテスト手法の開発など、ビラの機械的性質。以前文献でこの機械の特性は二軸機械テスト プロシージャを使用としました。

文学、全体の特性の異なる1,2,3,4を取得するために利用されているさまざまなテスト フレームワークによって軟組織用二軸機械テスト手順 5,6,7,8,9,10、11,12,13,14,15,16,17,18,19. テスト メソッドが拡張され、心臓弁尖の力学的特性に関する研究。一般に、二軸機械試験 2 つの主方向の同時の力で心臓弁の組織が読み込まれますが、このテストの実行方法によって異なりますは、観察される力学的特性に基づいています。これらのプロトコルをテストの一部は、(i) ひずみ率、クリープ (ii)、(iii) 応力緩和、(iv) 力制御のテストを含みます。

まず、ティッシュ チラシ18,20時間依存性変形挙動を決定するひずみレート ・ テストを利用されています。このテストのプロトコルでチラシは別の半分のサイクル時間の最大膜張力に読み込まれます (すなわち、1、0.5、0.1、および 0.05 s) ロード時間間ピーク ストレッチまたはヒステリシスに有意差があるかを決定します。ただし、これらのテストは、さまざまなひずみ速度と観測のストレッチでごくわずかな違いを示しています。第二に、クリープ試験に組織がピーク膜張力に読み込まれ、ピーク膜張力で開催。このテストには、ピーク膜張力を維持するためにどのように組織の変位がゾッとのデモンストレーションすることができます。しかし、それはクリープが生理機能の下で心臓弁尖のために重要ではないことに示されている3,20。第三に、応力緩和試験、組織はピーク膜張力に読み込まれ、関連付けられた変位が時間3,21,22の長時間にわたって一定に保たれます。このタイプのテストでは、組織の応力ピーク膜張力からの顕著な削減があります。最後に、試験力制御における組織、周期的に各方向17,23におけるピーク膜張力の様々 な比率で読み込まれます。これらのテストは、材料の異方性と非線形応力-ひずみ応答を明らかにする、様々 な比率の下で組織を装填することで潜在的な生理学的な変形をよりよく理解することがあります。これらの最近の調査は、明白なその応力緩和と力制御プロトコルが心臓弁尖の力学特性評価を実行に最も有益証明します。心弁の生体力学的評価技術のこれらの進歩にもかかわらずテストがなされていない 1 つ統一テスト方式、下と方向間の結合を調査する限られた方法があります。

このメソッドの目的は、統一された二軸機械テスト方式による心臓弁尖の素材特性を容易にすることです。統一テスト方式は、1 つ 1 つのセッションですべてのテスト プロトコルの下で各リーフレットをテストする場所として考慮されます。これは便利です、各リーフレットの全特徴証明様々 なチラシでは独立して各プロトコルを実行するよりも、記述子としてより正確なので組織としてプロパティ、リーフレット、本質的に可変。試験方式は、3 つの主要なコンポーネント、すなわち (i) の力制御 2 軸テスト プロトコル、(ii) 変位制御 2 軸テスト プロトコル、および (iii) 二軸応力緩和試験プロトコルで構成されます。すべての試験スキーム活用 4.42 N/分、載荷速度と応力-ひずみを確保するため 10 載荷-除荷周期カーブ replicability 10 (として前作で見つかった) サイクル23。すべてのプロトコルはまた、効果的な試験片長さの 10% 未満を厚さにする必要があります膜の緊張という仮定に基づいて構築します。

この提示されたメソッドで使用される力制御プロトコルは、10 の読み込みとアンロード (MV) 僧帽弁と三尖弁 (テレビ)、それぞれ15,17100 N/m と 75 N/m のピーク膜張力のサイクルで構成されます。5 つの荷重比この力制御テスト プロトコル、すなわち 1:1、0.75:1、1:0.75、脂肪、および 5 のものと見なされます。これらの 5 つの荷重比率を体内のリーフレットのすべての潜在的な生理学的変形応力と歪みの特派員です説明に役立つ証明します。

このメソッドで示される変位制御プロトコルは、2 つの変形のシナリオで構成されています、すなわち (i) 拘束一軸延伸と (ii) 純粋せん断。拘束一軸延伸の組織の 1 つの方向は他の方向を修正している間ピーク膜張力にずれています。純擅断セットアップ組織を一方向にストレッチして組織の変形の下で一定している残るので、他の方向で慎重に短縮します。各変位制御テスト プロシージャは 2 つの組織方向 (円周方向および半径方向) のそれぞれに対して実行されます。

提示されたメソッドで使用される応力緩和プロトコルは両方の方向のピーク膜緊張を組織を読み込みおよび組織の応力緩和挙動を監視する 15 分の特派員の変位で、組織を押しによって実現されます。実験手順の詳細を次に説明します。

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Protocol

記載されているすべてのメソッドは、機関動物ケアおよび使用委員会 (IACUC) オクラホマの大学によって承認されました。すべての動物の組織は、米国農務省 USDA 承認の屠殺場 (国家肉株式、エドモンド、オクラホマ) の国務省から買収されました。

1. 組織の獲得とクリーニング

  1. 動物の屠殺と同じ日に動物の心を取得し、組織の鮮度を確保するための氷の胸の心を格納します。研究室の空間に心を輸送します。
  2. 研究室に到着すると、余分な血を洗い流すリン酸緩衝生理食塩水 (PBS) 液の入ったバケツの中心部が水没します。鉗子、プレイス マット、外科ブレード、PBS ソリューション、漂白剤、ビニール袋・ バケットを取得します。血液関連の混乱のより簡単にクリーンアップを可能にする解剖カウンターに置いてマットを準備します。心臓が十分に洗浄されている後 (図 1 a) プレース マットの中心に配置します。
  3. 鉗子を使用すると、中心部の両側に心房と心室間のパーティング ラインを探します。かみそりの刃を使用して、慎重にこのパーティング ラインに沿って切開、心臓弁や心室 (図 1 b) を明らかにします。心房と心室に優れたすべてのハート素材を削除可能性がありますなど、心の全体の外周に沿って切開をします。
  4. ピックを使っての観察された血栓心室 (図 1 c) を慎重に引き出します。試みが行われた場合血の塊が、それを削除するはしない移動、腱索断裂を確認またはチラシを捕らえてされていません。廃棄用バイオハザード バッグに血の塊を配置します。
  5. すべての血栓が脳室から削除されたとき、PBS 溶液でバケツに 1 つの最終的な時間心をすすいでください。ビニール袋にきれいな心を置き、それを冷凍庫に保存します。
  6. 水、ミックス漂白剤溶液で約 10 分間継続的にかき混ぜると血を見て成功した漂白剤治療のため 90% と 10% の漂白剤の溶液を使用して赤から黄色への移行ソリューションで示されます。排水の漂白剤処理血液の処分します。
    注意: 漂白剤は有害物質、有害な場合を摂取することができます。
    注: プロトコルはここで一時停止することができます。

2. 心臓の解剖および解剖学の検討

  1. 浄化以前の心を取得し、温水浴で解凍できるようにします。郭清の必要な材料は、鉗子、外科ブレード、ランチョン マット、PBS、小さなストレージ コンテナーに含まれます。心後完全に凍結されて、任意の残りの血液を吸収するマットの上に置きます。
  2. 最適なバルブ構造を観察するトップダウン (優れた) ビューの心を保持します。心臓の左側にある MV に始まり、慎重にリーフレットを操作し、交連、または小葉間のパーティング ラインを識別する鉗子を使用します。
  3. 交連に沿って切開をしてチラシに損害を与えないことを確かめる、心室の壁を通って慎重にカットします。この過程で脳が全開する弦の添付ファイルをカットする必要があります。完全な切開を行った後は、心室 (図 2 a) を開きます。
  4. MV の前部と後部のリーフレットを識別し、外科ブレードを乳頭筋に弦の添付ファイル。鉗子を使用すると、ピンと張ったチラシをストレッチ、アニュラスからチラシを分離する切口を作る。PBS 溶液で満たしたラベル内切除のチラシを置き、約 4 ° C で冷蔵庫に保管して
  5. トップダウン ビューの中心を押し、心臓の右側にあるテレビを識別します。交連と交連と心室壁 (図 2 b) のいずれかを切開します。
  6. テレビ中隔, 後部, と前のリーフレットを識別し、ステップ 2.4 でリーフレット抽出を実行します。PBS 溶液で満たされたラベルの付いたコンテナー内すべて得られたチラシを置き、約 4 ° C で冷蔵庫にコンテナーを格納
    注: プロトコルはここで一時停止することができます。ただし、組織の生体力学的試験およびそれに続く組織学分析は、心臓解剖の 2 日以内発生する必要があります。

3. 組織切離

  1. 冷蔵庫、ティッシュ カッター カッティング マット、かみそりの刃、鉗子手術ペン指定された断面サイズからリーフレットを取得します。
  2. 鉗子を使用して、PBS 溶液から供試体を削除し、Y 方向に配置半径方向 (R)、円周方向 (C) X 方向 (図 3 a) に配置とカッティング マットの上に平らに置きます。テスト セクションとしてリーフレットの中央地域を識別します。
  3. 目的組織のテスト領域がかみそりの刃の境界内にあるので、組織カッターを合わせます。1 つは水平方向にカットして目的のサイズ (図 3 b) の正方形の領域を形成するために垂直方向に別。手術用のペンを使用して、ラベルを組織の半径方向 (図 3 b)。
  4. かみそりの刃を使用して、鉗子リーフレットから腱を伸ばし、リーフレットへの損傷を引き起こすことがなく注意してくださいカットを作りによって弦添付ファイルをトリミングします。
    注: プロトコルはここで一時停止することができます。プロトコルを一時停止した場合 PBS 溶液で満たされたラベル付きコンテナーの断面組織を格納し、(2.6 のステップで説明します) と、約 4 ° C で冷蔵庫にコンテナーを格納します。ただし、組織試験の解剖 2 日以内発生する必要があります。

4. 厚さ測定と二軸試験機のセットアップ

  1. 断面組織標本、デジタル ノギスと小さな金属のヘラを取得します。デジタル ノギスの使い方、測定し、金属のヘラの厚さを記録します。
  2. 鉗子を使用して、金属のヘラにフラット組織標本が横たわっていた。デジタル ノギスを使用して、3 つの異なるリーフレット場所でヘラ組織ペア (図 3 c) の厚さを測定します。ヘラの厚さは各測定値から減算し、平均厚を記録します。
  3. 37 ° c、組織の生理的条件に対応する PBS のお風呂を準備します。

5. 組織取付と画像マーカ配置

  1. 鉗子、組織標本、取り付け用ハードウェア、細いツール、ガラスビーズ (300-500 μ m の直径) と、スーパー接着剤を取得します。
  2. 二軸のテスト システム (図 3 d、e) に組織をマウントします。マウント、組織の円周方向および半径方向とマシンの X-、Y 方向に並んでいることを確認します。
  3. 画像マーカ配置 1 つ小さな open-faced 容器と別の容器でスーパー接着剤の小さなプールにガラス玉を配置します。先の細い工具を使用して、少量の瞬間接着剤で先端をコート、ツールの先端に個々 のビードを固執します。
  4. 慎重にツールを使用して、組織のテスト地域 (図 3 f) の中間の三番目の 1 つのコーナーにビーズを転送します。4 つのビーズの正方形の配列になるまでこの手順を形成 (図 3 g) を繰り返します。
    注: それは重要こと、余分な接着剤は避け、後デジタル画像相関 (DIC) テクニックは役に立たない追跡結果を生成するように、マーカが一緒に固執しないことです。正方配列する必要があるティッシュの中間の内で領域のテストが重要です。

6. 前処理ステップと期間のタイミング

  1. 、適切な膜張力を計算するには、組織の効果的なテスト エッジの長さを取得し、次の式を使用します。
    Equation 1(1)
    注: ここでは、 T 、 f力/長さの単位膜張力は、力とLは試験片の効果的なテスト長さ。
  2. 組織は 4.42 N/分、最大荷重 (図 4) の 2.5% の予圧量を含むの載荷速度のピーク膜張力に関連する力で 10 のロード/アンロード サイクルを受けるように前処理プロトコルを作成します。
    1. 将来の計算の必要はありませんので、前処理のデータを一時的に格納する新しい任意テスト ディレクトリを作成します。後続のテストの 4.42 N/分の読み込み速度を確立します。
    2. テスト パラメーターの新しいセットを作成し、 Preconditioning0 (図 4 a) としてプロトコルの名前を設定します。X 軸と y 軸、力とステップ制御機能コントロール モードを設定します。大きさを読み込む設定に関連付けられている力で対象ピーク膜張力 (cf. ステップ 6.1)、(図 4 b)。(図 4 c)、最初の繰り返しだけの最大の力の 2.5% に予圧の大きさを設定します。期間を伸ばすと回復期間両方 10 (図 4e) 25 s. セットの繰り返しの数であることを設定します。
  3. 前処理の手順が完了すると、X 方向と Y 方向で組織の変形のメモしておきます。記録サイズから最大の力に試料を移動するためのプロトコルを準備します。
    1. タイミング用のストップウォッチを取得します。最大フォースのプロトコルを読み込みを開始し、マシンが (図 5 a) の作動を開始するとき、同時にストップウォッチを開始します。作動が停止したときは、ストップウォッチを停止します。停止は、聴覚信号を通じて明らかになります。
    2. 前処理後のピーク組織変形組織の最適なストレッチ時間 (図 5 b) を表すストップウォッチから時間と共に記録します。

7. 二軸機械試験

  1. 4.42 N/分の読み込み速度で力制御プロトコルを準備します。
    1. 新しいテスト ディレクトリを開き、テストの名前します。後の応力と歪みの計算で使用するための既知の場所に保存するデータを設定します。試料をマウント構成を元に戻します。
    2. タイトルのFirstImageプロトコル セットを作成します。強制的にとステップする制御機能 x 軸とy 軸制御モードを設定します。0 ミネソタに大きさをロードを設定します。期間を伸ばすと回復期間各を1 秒に設定します。繰り返し数を1に設定します。データ出力周波数と画像出力周波数それぞれを1 Hzに設定します。
    3. PreconditioningAという名前の新しいテスト セットを作成します。組織 10 ステップ 6.2 で準備されたとおりの必要な膜緊張のため対象となる力をロード/アンロードを繰り返し繰り返し受けることになるようなテスト パラメーターを確立します。今、リカバリ時間、ストレッチの時間をステップ 6.3.2 で記録したタイムをすることに注意してください。テスト セット、 Aの画像はキャプチャされませんが、データが 15 Hz でキャプチャされます。
    4. 別のテスト設定、名前付きPreconditioningBを構築します。テストのすべてのパラメーターを前の手順で説明したものと同じにする必要があります、例外画像出力周波数 15 Hzに設定されます、プリロードは適用されません。
    5. 前処理プロトコル後 4.42 N/分の読み込み速度で次周-ラジアル荷重比のピーク膜緊張を組織が読み込まれるようにテスト プロトコルを作成する: 1:1、0.75:1、1:0.75、脂肪、1:0.5 (図 6).後続のデータ処理や分析セクション 10 で説明のため各積載率の最後の 2 つのサイクルからデータを取得します。確立するプロトコルの詳細な説明については、表 1を参照してください。
  2. 4.42 N/分の読み込み速度で変位制御のテスト プロトコルのとおり準備します。(私は)二軸延伸を X 方向と Y 方向変位それぞれピーク円周方向および半径方向の伸張に関連付けられている (図 7 a)。(ii) X 方向に沿って純粋せん断を、X 方向のピークの円周方向引張に関連付けられているストレッチと破線の領域 (図 7 b) 変形下における一定を保ちながら Y 方向の短縮。(iii) X 方向 (図 7 c) に沿って拘束一軸延伸をします。(iv) Y 方向 (図 7 d)純粋せん断をします。(v) Y 方向 (図 7e) に沿って拘束一軸延伸をします。
    1. 各手順の間「サイクル」オリジナル マウント構成で組織を保持している 1 分の残りの部分を構築します。各積載率の最後の 2 つのサイクル データ処理と解析 (セクション 9) からデータを取得します。確立するプロトコルの詳細な説明については、表 2を参照してください。
  3. 4.42 N/分、ピーク膜緊張 (ステップ 7.2) に関連付けられている、その変位 15 分 (図 8およびで開催された変位の読み込み速度で、各方向に組織が読み込まれるように、応力緩和プロトコルを準備します。図 9)。15 分後に元のマウント構成組織を回復するプロトコルを設定必要があります。
    注: 組織が断裂の場合、二軸のテスト システムに潜在的な被害を防ぐためにすぐにテストを中止します。

8. 組織固定組織分析のため

  1. 二軸テスト システムから組織をアンマウントします。10% ホルマリンで満たされた容器にティッシュを置き、約 4 ° C で冷蔵環境にコンテナーを配置24-48 時間、組織の厚さに応じて組織を修正します。
    注意: ホルマリンは既知の発癌物質、過剰固定される肺の原因吸い込んだ場合。ホルマリンですべての作業は、十分な換気と発煙のフードで行わなければなりません。
  2. 組織は、24-48 h のホルマリンで修正されています後、後の組織学のための 80% エタノール溶液に組織を転送します。組織は 4 ° C で冷凍環境でのソリューションに保存するか
    注: プロトコルはここで一時停止することができます。組織を固定すると、一度、いつでも試料を分析できます。プロトコルを一時停止すると、80% エタノールを入れたラベル付き容器にティッシュを格納し、(8.2 のステップで説明します)、約 4 ° C で冷蔵庫のコンテナーを格納します。
  3. ベンダーの指示に従って商業組織解析のための組織を準備します。特定のリーフレット成分、コラーゲン、エラスチン、グリコサミノグリカンなど、研究の関心がある場合は、適切な組織染色を採用することを確認します。
    注: 組織学のスライドが目的成分 (図 10) を観察するため、顕微鏡を使用視覚化することがあります。
  4. 画像処理 ImageJ のプログラムを使用して、色デコンボリューション法組織で各の染色成分のパーセンテージを決定を実行します。これらの手順の詳細については、Ruifrok、ジョンストンの24を参照してください。

9. 後処理手順二軸試験データ

  1. 時間依存型マーカー位置を決定する二軸機械 (図 11) のテスト中に撮影した画像から 4 つのマーカで DIC ベースの追跡を実行します。
    Equation 2(2)
    1. マウント構成に対して分析を実行する場合は、 X私二軸のテストの初めに変形前の状態でマーカー位置をしましょう。前処理後の変形に関する解析を実行する場合は、 X私前処理プロトコルの最後でマーカー位置をしましょう。
      注: 選択された参照構成に関係なく、同じ方法でそれ以降の手順を行います。
      注: ここでは、私 Xとxは私はマーカーの変形前と変形の位置をそれぞれ、各マーカーの変位ベクトルは、 dは私。
  2. 4 ノードの双線形有限要素2,23,25を使用してマーカーの変形グラデーション (F) を計算します。
    Equation 3(3)
    注: ここでは、 BxI B李有限要素の形状関数誘導体で、X 方向と Y-方向ノードの私をそれぞれ、 uは私(t)、 vは私(t) が時間依存 X-、Y-変位、それぞれ、前述手順 9.1 から決定します。X 座標と Y 座標が組織の円周方向および半径方向に整列されることに注意してください。
  3. 右コーシー-緑変形テンソル (C) とグリーンのひずみテンソル (E) を計算します。
    Equation 4(4)
    注: ここでは、私は第 2 順序のアイデンティティ テンソルです。Cの原則値の平方根で広がっている円周方向および半径を決定します。
  4. 最初のピオラ ・ キルヒホッフ (1 PK) 応力テンソル (P) を決定します。
    Equation 5(5)
    注: ここでは、 tは、試験片の厚さとTCとTR円周方向および半径方向応用膜張力をそれぞれ。
  5. また、Cauchy 応力テンソル (σ) と 2 番目のピオラ キルヒホッフ (2 PK) 応力テンソル (S) などの他の応力テンソルを計算します。
    Equation 6(6)
    注: ここで、 Jは変形勾配テンソルFのヤコビ行列です。

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Representative Results

ストレス ストレッチ、力制御多軸材料試験データでは、指数曲線 (図 12) をいくつかの似ている非線形カーブを明らかにします。各主軸方向の応答に関する材料挙動が面内等方性、円周方向の変形より大きい放射状のストレッチ。いくつかの場合、半径方向よりもコンプライアンスの向上を示す円周方向と、異方性の方向が反転します。この反転した応答は、mv よりもより頻繁にテレビで観察されます。

変位制御のテストからストレス ストレッチ データ緊張 (純粋せん断、制約付き単軸引張り [図 13]) を受けている主軸方向の非線形応答が続きます。組織は、他のプリンシパルの方向に短縮、「否定的な (圧縮) 応力」が観察されます。拘束引張プロトコルが制約された方向に、他のプリンシパルの方向で応用のストレッチのカップリングを示す増加ストレス ストレッチ応答も展示します。

応力緩和の測定から膜張力時間データ次非線形減衰曲線 (図 14a、b) を正規化します。MV とテレビの両方のリーフレット組織と比較して円周方向に半径方向の大きなストレス減少を表わします。

僧帽弁前尖 (MVAL)、マッソンを使用して三尖弁前尖 (テレビアルマナール) 組織の代表的な組織学的結果のヒアリン図 10に示します。マッソンのヒアリン汚れを示しますコラーゲン線維 (青) などの房室弁の代表的な成分と弁の間質細胞 (赤い細胞質と黒核)。他の汚れを使用して、(その行動・ ヴァン ・維染色) エラスチン、グリコサミノグリカン (アルシアン ブルー染色) などの成分を可視化できます。

Figure 1
図 1: ローカル屠殺場から豚心の実験の写真を取得します。(、) A の全体の中心は、PBS 溶液で血液の洗浄です。(b) A カットは僧帽弁と三尖弁の両方を明らかにするため心房と心室の間でされます。(c) 血液凝固は、保管する前に心の底から削除されます。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

Figure 2
図 2: 実験写真明らかに 5 房室開設のブタ心臓の心臓弁尖や弁装置の他のコンポーネントです。右側にある (MVAL) 前尖と後尖 (MVPL) と (b) のような郭清を伴う三尖弁を示す (、) 2 つの間の交連に沿って左心の郭清を伴う僧帽弁のリーフレット心は、明らかに前尖 (テレビアルマナール)、(TVPL)、後尖と中隔尖 (TVSL)。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

Figure 3
図 3: 二軸機械試験のために準備されている摘出リーフレットの実験写真です。心臓弁のリーフレットのテスト必要があります (、) (b) 10 mm × 10 mm に切断テスト地域 (ラジアル方向手術ペン マーカーによって注意) 一括リーフレット。(c) リーフレットの厚さを測定するとします。標本は、ピアスの金属製の歯の組織 (e) (d) 二軸性テストのシステムにマウントされます。(F) マーカが PBS 溶液中で 37 ° C (g) 水没する前に組織の表面に接着取り付け後この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

Figure 4
図 4: 7.5 mm × 7.5 mm の領域のテスト僧帽弁前尖の前処理テスト プロトコル パラメーターの例です。前処理プロトコルがテスト制御モードと力 x 軸、プリロード (c) の条件、x 軸と同様に y 軸 (d) パラメーター (b)、(、)、プロトコルの名前を設定することによって作成されると (e。) サイクルのパラメーター。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

Figure 5
図 5: 7.5 mm × 7.5 mm の領域のテスト僧帽弁前尖のタイミング ステップのプロトコル パラメーターの例です。タイミングの手順が必要です (、) 前処理後の変形から組織を同時にストレッチの時間を記録するストップウォッチを起動中ピーク膜張力 (および対応するピーク変形) に移動します。ターゲット力に達している、(b) 前処理後の変形が記録されます。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

Figure 6
図 6: 力制御 2 軸テスト プロシージャをテストするため僧帽弁や三尖弁尖のスケマティック。各組織の方向 (Tx:Ty) にピーク膜張力のさまざまな荷重比続いて体内の状態に組織を行使するステップを前処理等二軸載荷試験プロトコルの構成: 1:1、0.75:1、1:0.75、脂肪、およびもの 5。力制御のテスト プロトコルの各サブセクションは、10 のロード/アンロード サイクルに対して実行されます。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

Figure 7
図 7: 変位制御 2 軸テスト プロシージャをテストするため僧帽弁や三尖弁尖のスケマティック。ピーク膜緊張、X 方向に純擅断を (b) に関連付けられている (、) の二軸変位のテスト プロトコルの構成は、(c) (d) 純粋せん断で X 方向の一軸変位を拘束、(E) および Y 方向、Y 方向の一軸変位が拘束されます。変位制御のテスト プロトコルの各サブセクションは、10 のロード/アンロード サイクルに対して実行されます。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

Figure 8
図 8: 7.5 × 7.5 mm の効果的なテスト領域と僧帽弁前尖の応力緩和試験パラメーターの例です。応力緩和試験目標変位がこの組織に特定のピークの組織の変形を僧帽弁前尖のパラメーターの設定をテストします。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

Figure 9
図 9: 15 分応力緩和試験手順をテストするため僧帽弁や三尖弁尖のスケマティック。マウント構成にその後組織が返されます、15 分間ピーク膜緊張に関連付けられた軸の変位を保持テストのプロトコルが含まれます。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

Figure 10
図 10: 房室弁の前尖から例を組織学的データ。(、) 僧帽弁前尖の三尖弁後尖 (b) 代表的な組織学の画像。マッソンのヒアリン汚れと汚れる両方: 青、細胞質および赤でケラチンと黒の核のコラーゲン。スケール バー = 200 μ m.この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

Figure 11
図 11: データを用いた二軸機械試験中に 4 つのマーカ座標の追跡を示す代表的なイメージ画像の相関 (DIC) 法。(、)、組織の実装構成。(b) 前処理ステップ後に構成します。(c) 変形の構成は、機械的負荷の下で組織標本に関連付けられています。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

Figure 12
図 12: 僧帽弁前尖 (MVAL) の力制御プロトコルから代表的なデータです。代表的なデータを示して各組織の方向 (Tx:Ty) にピーク膜張力の負荷比率を変化させる二軸荷重下における組織の非線形ひずみ特性と材料異方性: (、) の 1:1 (b) 0.75:1、(c)1:0.75、(d) 脂肪および (e) もの 5。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

Figure 13
図 13: 僧帽弁前尖 (MVAL) の変位制御プロトコルから代表的なデータです。代表的なデータ (b) (c) X 方向純擅断ピーク膜緊張に関連付けられている (、) の二軸の変位の間組織の非線形ひずみ特性と材料異方性を示しますX 方向、Y 方向の (d) 純粋せん断における一軸変位を制限し、(e) は、Y 方向の一軸変位を拘束します。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

Figure 14
図 14: 僧帽弁と三尖弁の応力緩和プロトコルから代表的なデータ バルブ前方リーフレット。(、)、MVAL の代表的なデータ、(b) 時間をかけて指数の応力低減効果を示す、テレビアルマナール。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

セット名 X 軸 Y 軸 ストレッチ (s) ホールド (s) 回復 (s) 残りの部分 (s) XPreload (ミネソタ州) YPreload (ミネソタ州) 担当者 データ (Hz) 画像 (Hz)
FirstImage ステップ 0.0 (ミネソタ州) ステップ 0.0 (ミネソタ州) 1 0 1 0 0.0 (最初の) 0.0 (最初の) 1 1 1
PreconditioningA 手順F (ミネソタ州) 手順F (ミネソタ州) t 0 t 0 0.025*F (最初の) 0.025*F (最初の) 8 15 0
PreconditioningB 手順F (ミネソタ州) 手順F (ミネソタ州) t 0 t 0 どれも どれも 2 15 15
1:1A 手順F (ミネソタ州) 手順F (ミネソタ州) t 0 t 0 どれも どれも 10 15 0
1:1B 手順F (ミネソタ州) 手順F (ミネソタ州) t 0 t 0 どれも どれも 2 15 15
0.75:1A ステップ (0.75*F) (ミネソタ州) 手順F (ミネソタ州) t 0 t 0 どれも どれも 10 15 0
0.75:1B ステップ (0.75*F) (ミネソタ州) 手順F (ミネソタ州) t 0 t 0 どれも どれも 2 15 15
1:0.75A 手順F (ミネソタ州) ステップ (0.75*F) (ミネソタ州) t 0 t 0 どれも どれも 10 15 0
1:0.75B 手順F (ミネソタ州) ステップ (0.75*F) (ミネソタ州) t 0 t 0 どれも どれも 2 15 15
0.5:1A ステップ (0.5*F) (ミネソタ州) 手順F (ミネソタ州) t 0 t 0 どれも どれも 10 15 0
0.5:1B ステップ (0.5*F) (ミネソタ州) 手順F (ミネソタ州) t 0 t 0 どれも どれも 2 15 15
1:0.5A 手順F (ミネソタ州) ステップ (0.5*F) (ミネソタ州) t 0 t 0 どれも どれも 10 15 0
1:0.5B 手順F (ミネソタ州) ステップ (0.5*F) (ミネソタ州) t 0 t 0 どれも どれも 2 15 15

表 1: フル力制御のテスト手法のすべてのプロトコルのパラメーターをテストします。力 (millinewtons) では、対象となるピーク膜張力に関連する力を表すFとして書き込まれます。ストレッチの時間は、テストされている組織に秒単位で特定のストレッチ時間を表すtとして書き込まれます。

X 軸 Y 軸 ストレッチ (s) ホールド (s) 回復 (s) 残りの部分 (s) XPreload (ミネソタ州) YPreload (ミネソタ州) 担当者 データ (Hz) 画像 (Hz)
ステップ 0.0 (ミネソタ州) ステップ 0.0 (ミネソタ州) 1 0 1 0 0.0 (最初の) 0.0 (最初の) 1 1 1
ランプdx (%) ランプdy (%) t 0 t 0 0.025*F (最初の) 0.025*F (最初の) 10 15 0
ランプdx (%) ランプdy (%) t 0 t 0 どれも どれも 2 15 15
ランプ 0.0 (%) ランプ 0.0 (%) 0 0 0 60 どれも どれも 1 15 0
ランプdx (%) ランプ 1/dy (%) t 0 t 0 どれも どれも 10 15 0
ランプdx (%) ランプ 1/dy (%) t 0 t 0 どれも どれも 2 15 15
ランプ 0.0 (%) ランプ 0.0 (%) 0 0 0 60 どれも どれも 1 15 0
ランプ 1/x (%) ランプdy (%) t 0 t 0 どれも どれも 10 15 0
ランプ 1/x (%) ランプdy (%) t 0 t 0 どれも どれも 2 15 15
ランプ 0.0 (%) ランプ 0.0 (%) 0 0 0 60 どれも どれも 1 15 0
ランプdx (%) ランプ 0.0 (%) t 0 t 0 どれも どれも 10 15 0
ランプdx (%) ランプ 0.0 (%) t 0 t 0 どれも どれも 2 15 15
ランプ 0.0 (%) ランプ 0.0 (%) 0 0 0 60 どれも どれも 1 15 0
ランプ 0.0 (%) ランプdy (%) t 0 t 0 どれも どれも 10 15 0
ランプ 0.0 (%) ランプdy (%) t 0 t 0 どれも どれも 2 15 15

表 2: 完全変形制御のテスト手法のすべてのプロトコルのパラメーターをテストします。(割合) の変位は、割合の伸びで、X 方向と Y-方向をそれぞれ前処理後ピークを表すxと dyとして書き込まれます。ストレッチの時間は、テストされている組織に秒単位で特定のストレッチ時間を表すtとして書き込まれます。略語: PS = 純粋せん断;CU = 一軸拘束します。

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Discussion

この二軸機械試験の重要な手順には、(i) リーフレット、ごくわずかのせん断、(ii) 適切な二軸試験機セットアップと、マーカの (iii) を慎重に適用の適切な向きが含まれます。リーフレットの向きは、材料は本質的に異方性尖の得られる力学特性評価することが重要です。したがって、半径方向と円周方向は組織標本テスト Y 方向とを正しく整列させるため知られている必要があります。また、二軸のテスターは標本が無視できるせん断応力導入システムにマウントされているので正しく校正されている必須です。せん断の無視できない量を観察すると、結果が大きくそれに続く組織のひずみと応力の計算にずれる場合します。特別な注意は、マーカーのどれもが組織系統の不正確な計算を避けるために他に固執することを確認する 4 つのマーカのアプリケーションに必要です。組織ひずみの計算について興味を持った読者呼びます以前研究2,23,25の詳細と手順。

現在のプロトコルを作ることができるいくつかの変更には、ひずみ率を追加、クリープ テスト フレームワークにテストなどがあります。大動脈の心臓弁 (AHV) リーフレットの異なる粘弾性特性への洞察を可能にするこれらのテストが、それとひずみとクリープは心臓弁のリーフレット組織にとって重要な生理前の文献で示されています。機能条件。

このメソッドの制限はせん断導入の可能性は、供試体の不適切な平面配置の場合、前述のデータを無効にマーカを立ち往生。このメソッドの他の制限は、試料はコントロール試料端に完全固定するのではなく、各エッジに 5 ポイントにより制御のみ歯部の取り付け、試料用です。クランプ方法で歯の使用は、歯部は、刃物端の変位にもかかわらず小さい変形が一定軸テスト システムに接続できるように一軸試験プロトコルで問題を発生します。ただし、個々 の刃物の動きからこの変形が無視できる推定できます。

このメソッドは、その利点のために他の方法と比較して重要なプロトコルのテストすべて (力制御、変位制御と応力緩和)、1 つの統一された組織標本で実行されます。テスト プロトコルを組み合わせて 3 つのではなく、提示された方法論に代わるのみ各組織の 1 つのテスト プロトコルを実行します。これは、ため、それらの選択肢することができない組織行動の説明で正確な組織特性は大きく異なる動物の被験者からの組織の間変えることが。

このメソッドは、心臓の房室弁尖のほか他の材料への応用によって拡張できます。たとえば、これらのメソッドは、その他の軟部組織、またはポリマー/ゴム系材料を特徴付けること役に立つかもしれません。指定された二軸試験装置との互換性などの材料の全特徴を提供するスキームの提供は適切なロードセル容量と試験片寸法などの適切な設定があります。

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Disclosures

著者が明らかに何もありません。

Acknowledgments

この作品は、アメリカ心臓協会の科学者開発グラント 16SDG27760143 によって支えられました。著者はコルトン ロスとデヴィン ローレンスの両方をサポートするため学部研究のオクラホマ大学の事務所から指導研究員を認めるにも思います。

Materials

Name Company Catalog Number Comments
10% Formalin Solution, Neutral Bufffered Sigma-Aldrich HT501128-4L 
40X-2500X LED Lab Trinocular Compound Microscope AmScope SKU: T120C
BioTester - Biaxial Tester CellScale Biomaterials Testing 1.5N Load Cell Capacity
ImageJ National Institute of Health, Bethesda, MD Version 1.8.0_112
LabJoy CellScale Biomaterials Testing Version 10.66
MATLAB MathWorks Version 2018b
Phosphate-Buffered Saline n/a Recipe for 1L 1X PBS Solution: 8.0g NaCl, 0.2g KCl, 1.44g Na2HPO4, 0.24g KH2PO4
Single Edge Industrial Razor Blades (Surgical Carbon Steel) VWR International H3515541105024 Razord blades for tissue retrieval and preparation procedures

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References

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  25. Sacks, M. S. Biaxial mechanical evaluation of planar biological materials. Journal of Elasticity. 61 (1), 199 (2000).

Tags

バイオ エンジニア リング、問題 146、二軸機械試験、僧帽弁、三尖弁、組織のバイオメカニクス、応力とひずみの計算、デジタル画像相関法 組織学的解析、応力緩和
房室弁の二軸の機械特性
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Ross, C., Laurence, D., Wu, Y., Lee, C. H. Biaxial Mechanical Characterizations of Atrioventricular Heart Valves. J. Vis. Exp. (146), e59170, doi:10.3791/59170 (2019).

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