Summary
Das vorliegende Protokoll bestimmt die Zugspannungsrelaxations- und Versagenseigenschaften von Schweinetracheen. Die Ergebnisse solcher Methoden können dazu beitragen, das Verständnis der viskoelastischen und Versagensschwellen der Luftröhre zu verbessern und die Fähigkeiten von Computermodellen des Lungensystems zu verbessern.
Abstract
Die biomechanischen Eigenschaften der Luftröhre beeinflussen direkt den Luftstrom und tragen zur biologischen Funktion des Atmungssystems bei. Das Verständnis dieser Eigenschaften ist entscheidend für das Verständnis des Verletzungsmechanismus in diesem Gewebe. Dieses Protokoll beschreibt einen experimentellen Ansatz zur Untersuchung des Spannungs-Entspannungs-Verhaltens von Schweinetrachea, die für 300 s auf 0% oder 10% Dehnung vorgestreckt wurden, gefolgt von mechanischer Zugbelastung bis zum Versagen. Diese Studie enthält Details zum experimentellen Design, zur Datenerfassung, zu Analysen und vorläufigen Ergebnissen der biomechanischen Tests der Schweinetracheen. Mit den detaillierten Schritten in diesem Protokoll und dem MATLAB-Code der Datenanalyse können zukünftige Studien das zeitabhängige viskoelastische Verhalten von Tracheagewebe untersuchen, das für das Verständnis seiner biomechanischen Reaktionen unter physiologischen, pathologischen und traumatischen Zuständen entscheidend ist. Darüber hinaus werden eingehende Studien des biomechanischen Verhaltens der Luftröhre entscheidend dazu beitragen, das Design verwandter medizinischer Geräte wie endotracheale Implantate, die bei Operationen weit verbreitet sind, zu verbessern.
Introduction
Trotz ihrer entscheidenden Rolle bei Lungenerkrankungen gibt es für die größte Atemwegsstruktur, die Luftröhre, nur begrenzte Studien, die ihre viskoelastischen Eigenschaften detailliert beschreiben1. Ein tiefes Verständnis des zeitabhängigen, viskoelastischen Verhaltens der Luftröhre ist für die Lungenmechanikforschung von entscheidender Bedeutung, da das Verständnis der atemwegsspezifischen Materialeigenschaften dazu beitragen kann, die Wissenschaft der Verletzungsprävention, Diagnose und klinischen Intervention für Lungenerkrankungen voranzutreiben, die die dritthäufigste Todesursache in den Vereinigten Staaten sind 2,3,4.
Verfügbare Gewebecharakterisierungsstudien haben die Steifigkeitseigenschaften der Luftröhre 5,6,7,8 berichtet. Die zeitabhängigen mechanischen Reaktionen wurden trotz ihrer Bedeutung für den Gewebeumbau, die auch durch die Pathologie verändert wird, minimal untersucht 9,10. Darüber hinaus schränkt der Mangel an zeitabhängigen Antwortdaten auch die Vorhersagefähigkeiten der pulmonalen Mechanik-Rechenmodelle ein, die derzeit auf die generischen konstitutiven Gesetze zurückgreifen. Es besteht die Notwendigkeit, diese Lücke durch die Durchführung von Stressrelaxationsstudien zu schließen, die die erforderlichen Materialeigenschaften liefern können, um biophysikalische Studien der Luftröhre zu informieren. Die aktuelle Studie bietet Details zu Testmethoden, Datenerfassung und Datenanalysen, um das Stress-Entspannungs-Verhalten der Schweineluftröhre zu untersuchen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Alle beschriebenen Methoden wurden vom Institutional Animal Care and Use Committee (IACUC) der Drexel University genehmigt. Alle Leichentiere wurden von einer vom US-Landwirtschaftsministerium (USDA) zugelassenen Farm in Pennsylvania, USA, erworben. Für die vorliegende Studie wurde ein Leichnam eines männlichen Yorkshire-Schweins (3 Wochen alt) verwendet.
1. Gewebeentnahme
- Erwerben Sie einen Kadaver eines Schweins von einem zugelassenen Bauernhof und führen Sie die Experimente innerhalb von 2 Stunden nach der Euthanasie durch. Halten Sie den Kadaver auf Eis, bis die Gewebeernte abgeschlossen ist, um sicherzustellen, dass die biomechanischen Eigenschaften des frischen Gewebes erhalten bleiben.
HINWEIS: In der veröffentlichten Literatur werden Frischgewebetests an Tieren üblicherweise innerhalb von 2 Stunden nach der Euthanasie durchgeführt. Einzelheiten siehe Referenzen 11,12,13,14,15,16,17,18,19. - Legen Sie den Kadaver in Rückenlage, machen Sie einen vertikalen Mittellinienschnitt entlang des Halses und legen Sie den Schildknorpel, den Ringknorpel und die Luftröhre vom Zungenbein bis zur suprasternalen Kerbe frei.
- Entnehmen Sie den Kehlkopf und die Luftröhre in voller Länge mit einer Klinge #10 (Abbildung 1A).
- Trennen Sie die Luftröhreprobe vom Kehlkopf und schneiden Sie dann das Trachealröhrchen längs über die gesamte Länge auf einer Seite mit der Klinge #10 ab (Abbildung 1B).
- Messen Sie die Dicke der Luftröhre anhand des aufgenommenen Querschnittsbildes (aufgenommen mit BildJ 20, siehe Materialtabelle) (Abbildung 1C). Verwenden Sie die gemessene Gewebedicke, um die Querschnittsfläche während der Datenanalyse zu berechnen.
- Schneiden Sie die Luftröhre in zwei umlaufende Streifen von etwa 5 mm Breite (proximal) und zwei Längsstreifen von etwa 5 mm Breite (distal), wobei die Mindestlänge dieser Streifen 25 mm beträgt (Abbildung 1D).
- Erhalten Sie Bilder der vier Proben (d. h. geschnittene Tracheastreifen) neben einem Lineal. Verwenden Sie diese Bilder, um digitalisierte Messungen der Probenbreite mit Bild J (Abbildung 1E) bereitzustellen. Verwenden Sie dann diese gemessene Breite, um die Querschnittsfläche der Probe während der Datenanalyse zu berechnen.
- Stellen Sie sicher, dass alle Gewebeproben während der gesamten Studie mit steriler phosphatgepufferter Kochsalzlösung (PBS) hydratisiert gehalten werden. Halten Sie die Proben hydratisiert in PBS-getränkter Gaze, bis sie zum Testen bereit sind. Tauchen Sie das Gewebe in PBS, kurz bevor Sie auf die richtige Hydratation testen.
2. Biomechanische Prüfung
- Befestigen Sie jede Probe an einer speziell entwickelten Klemme (siehe vorherige Berichte 11,12,13,14,15,16,17,18,19), so dass die Probe längs zwischen den Klemmen gehalten wird (Abbildung 1F).
- Befestigen Sie die Klemmen (ohne Dehnung zu verursachen) vorsichtig an einer Materialprüfmaschine (siehe Materialtabelle), an der eine 50-N-Wägezelle angebracht ist (Abbildung 1G).
- Messen Sie den Griff-zu-Griff-Abstand (d. h. Klemme) mit einem Lineal. Verwenden Sie diesen Abstand als anfängliche Gewebelänge für Dehnungsberechnungen.
- Die Vorkonditionierung erfolgt durch Zugbelastung jeder Probe fünfmal bei einer Dehnrate von 1 %/s bis 1 % Dehnung.
- Halten Sie jede Probe bei einer Spitzendehnung von 0% oder 10% für 300 s, um die viskoelastische Stressrelaxationsreaktion des Gewebes zu untersuchen.
- Nach dem Stressrelaxationstest dehnen Sie das Gewebe sofort um 1% / s, bis ein mechanisches Versagen auftritt.
- Dokumentieren Sie die Fehlerstelle und vergewissern Sie sich, dass kein Schlupf aufgetreten ist, indem Sie sicherstellen, dass sich nach der Prüfung Proben in den Klemmen befinden (Abbildung 1H).
3. Datenerfassung
- Erfassen Sie während der Vorkonditionierung keine Daten.
- Nehmen Sie die Spannungsrelaxations- und Fehlertestvideos mit einer beliebigen Digitalkamera mit mindestens 30 Bildern / s auf.
- Erfassung von Zeit-, Last- (N) und Wegdaten (mm) mit einer Datenerfassungssoftware (siehe Materialtabelle) mit einer Abtastrate von 250 Proben/s während der Spannungsrelaxations- und Fehlerprüfung.
- Speichern Sie die erfassten Daten als .csv Datei und verwenden Sie sie für die Datenanalyse, wie in Schritt 4 beschrieben.
- Nehmen Sie Standbilder des geklemmten Gewebes vor Stressentspannung, nach Stressentspannung und nach Versagen auf (Abbildung 2).
4. Datenanalyse
- Dateneingabe
- Laden Sie die MATLAB-Datenanalysesoftware herunter und installieren Sie sie (siehe Materialtabelle), einschließlich der Toolboxen "Optimierung" und "Bildverarbeitung".
- Laden Sie den gezippten Ordner (Supplementary Coding File 1) herunter, der die MATLAB-Codes und einen Beispieldatensatz enthält, der zur Erläuterung der Datenanalyseschritte verwendet wird.
- Navigieren Sie zum heruntergeladenen gezippten Ordner und extrahieren Sie dessen Inhalt.
- Öffnen Sie MATLAB und legen Sie den entpackten Ordner als Arbeitsverzeichnis fest. Stellen Sie sicher, dass das Arbeitsverzeichnis über die folgenden Ordner und Dateien verfügt, die wie im folgenden Hinweis beschrieben gekennzeichnet sind. Stellen Sie sicher, dass keine zusätzlichen Ordner oder Dateien in diesem Arbeitsverzeichnis vorhanden sind, da diese den Code stören und zu einem Fehler führen können.
HINWEIS: (1) Failure (Post-Relaxation), (2) Failure Only, (3) Relaxation, (4) calc_relax_failure.m, (5) main_relax_failure.m, (6) testingDates.xlsx. - Navigieren Sie zum Ordner Nur Fehler .
HINWEIS: Die in diesem Ordner enthaltenen Daten stammen von der Kontrollgruppe in dieser Studie, d.h. biomechanischen Daten von Trachealproben, die nach einer Dehnung von 0% mechanischem Versagen ausgesetzt waren. - Speichern Sie Daten aus Beispielen, die an einem bestimmten Datum getestet wurden, in einer Microsoft Excel-Datei unter Verwendung der folgenden Dateinamenskonvention: mmddyy. Beispielsweise müssen Daten aus allen Trachealproben der Kontrollgruppe, die am 30. April 2022 getestet wurden, in der | "Nur Fehler" gespeichert werden. 043022.xlsx.
HINWEIS: Bitte beachten Sie, dass in der aktuellen Studie alle biomechanischen Tests an einem einzigen Tag durchgeführt wurden. Wenn jedoch Daten aus mehreren Testdaten abgeleitet wurden, erstellen Sie für jedes dieser Testdaten eine neue Microsoft Excel-Datei, die in der beschriebenen Konvention genannt wird. - Nur offener Fehler | 043022.xlsx und erkennen Sie, dass es mehrere Arbeitsblattregisterkarten gibt, die jeweils die Rohdaten jeder Probe enthalten, die an diesem bestimmten Datum, d. H. 30. April 2022, einem mechanischen Versagen ausgesetzt ist.
- Stellen Sie sicher, dass die Proben nach der folgenden Konvention beschriftet sind: [Probentyp]_[ Probennummer]_[Dehnungsstufe vor der Dehnung einfügen]%.
HINWEIS: Zum Beispiel wurden in der aktuellen Studie die Trachealproben der Kontrollgruppe mechanischen Versagenstests unter axialer oder umlaufender Belastung ohne vorherige Spannungsrelaxation unterzogen. Daher werden diese Stichproben im folgenden Format benannt: TA_1_0% bzw. TC_1_0%. Die 0% bedeuten keine Vordehnung. Trachealproben aus unserer Versuchsgruppe wurden zunächst bei fester Dehnung unter axialer oder umlaufender Belastung von 10% gehalten, um die viskoelastische Spannungsrelaxationsreaktion zu bewerten, und dann mechanischem Versagen ausgesetzt. Daher werden diese Proben im folgenden Format benannt: TA_1_10 % und TC_1_10% (siehe Schritt 4.1.16 und Schritt 4.1.23, die die axialen bzw. umlaufenden Belastungsbedingungen darstellen). - Wählen Sie die Registerkarte Arbeitsblatt TA_1_0% aus. Stellen Sie sicher, dass die Kopfzeilenspalten der Rohdaten genau so beschriftet sind, wie sie in der folgenden Notiz fett eingegeben sind.
HINWEIS: (1) Zeit (Sek.), (2) Last (N), (3) Position (mm), (4) Durchmesser (mm) (Schritt 1.7), (5) Durchschnittliche Querschnittsfläche (Dicke x Breite, mm 2) (erhalten in Schritt 1.5 und Schritt 1.7), (6) Anfangslänge (mm) (Schritt2.3). - Schließen Sie die aktuelle Microsoft Excel-Datei "Nur Fehler| 043022.xlsx.
- Kehren Sie zum Arbeitsverzeichnis der Datenanalysesoftware zurück.
- Navigieren Sie zum Ordner Entspannung.
HINWEIS: Die in diesem Ordner enthaltenen Daten stammen von der experimentellen Gruppe in dieser Studie, d.h. biomechanische Daten von Trachealproben, die einem Stressrelaxationstest bei einer festen Dehnung von 10% für 300 s unterzogen wurden. - Speichern Sie Daten aus den an einem bestimmten Datum getesteten Proben der experimentellen Gruppe in einer Microsoft Excel-Datei unter Verwendung der folgenden Beschriftungskonvention: mmddyy.
HINWEIS: Beispielsweise müssen Daten aus allen Trachealproben der experimentellen Gruppe, die am 30. April 2022 getestet wurden, in Relaxation | 043022.xlsx. Weitere Informationen finden Sie im Hinweis in Schritt 4.1.6. - Offenes Entspannungs-| 043022.xlsx und erkennen Sie, dass es mehrere Arbeitsblattregisterkarten gibt, die jeweils die Rohdaten zur Lastrelaxation aus jeder Probe in der Versuchsgruppe enthalten, die an diesem bestimmten Datum, d. H. 30. April 2022, getestet wurde.
- Machen Sie eine Pause, und beachten Sie, dass jedes der Beispiele, wie durch die Arbeitsblattregisterkarten in dieser Microsoft Excel-Datei angegeben, anschließend mechanischem Versagen unter mechanischer Zugbelastung ausgesetzt war.
HINWEIS: Die entsprechenden Fehlerdaten für jedes der vorhandenen Proben müssen im Ordner Fehler (nach der Entspannung) gespeichert werden, wie in Schritt 4.1.20 näher beschrieben. - Stellen Sie sicher, dass die Proben gemäß der in Schritt 4.1.8 beschriebenen Konvention gekennzeichnet sind.
- Wechseln Sie zu den einzelnen Arbeitsblattregisterkarten in der aktuellen Microsoft Excel-Datei, und lesen Sie Schritt 4.1.9, um sicherzustellen, dass die Rohdaten zur Lastentspannung für jedes Beispiel, die auf einer bestimmten Arbeitsblattregisterkarte angegeben sind, korrekt formatiert sind.
- Speichern und schließen Sie die aktuelle Microsoft Excel-Datei Relaxation | 043022.xlsx.
- Kehren Sie zum Arbeitsverzeichnis der Datenanalysesoftware zurück.
- Navigieren Sie zum Ordner Fehler (Post-Relaxation).
- Stellen Sie sicher, dass eine Microsoft Excel-Datei(en) mit demselben Datum vorhanden ist (siehe Schritt 4.1.6 für Details zur Benennung der Microsoft Excel-Dateien, die jedem Testdatum entsprechen), wie sie im Ordner Entspannung vorhanden ist.
HINWEIS: Die im aktuellen Ordner Failure (Post-Relaxation) enthaltenen Daten sind die entsprechenden mechanischen Rohfehlerdaten von Trachealproben, die einem Spannungsrelaxationstest bei einer festen Dehnung von 10% für 300 s unterzogen wurden. - Offenes Versagen (Post-Relaxation) | 043022.xlsx und erkennen Sie mehrere Arbeitsblattregisterkarten, von denen jede rohe mechanische Fehlerdaten aus denselben Proben enthält, die in Relaxation | 043022.xlsx.
- Stellen Sie sicher, dass die Proben gemäß der in Schritt 4.1.8 beschriebenen Konvention gekennzeichnet sind und dass die Etiketten mit denen in Relaxation | übereinstimmen. 043022.xlsx.
HINWEIS: Beispielsweise stellen die Daten in der aktuellen Microsoft Excel-Datei für TA_1_10% mechanische Rohdaten für Trachealprobe #1 unter axialer Belastung dar, die zuvor einem Spannungsrelaxationstest bei 10 % fester Dehnung für 300 s unterzogen wurde. - Wechseln Sie durch die einzelnen Arbeitsblattregisterkarten, und lesen Sie Schritt 4.1.9, um sicherzustellen, dass die Kopfspalte für die unformatierten mechanischen Fehlerdaten für jedes Beispiel korrekt formatiert ist.
- Schließen Sie die aktuelle Microsoft Excel-Datei Failure (Post Relaxation) | 043022.xlsx.
- Kehren Sie zum Arbeitsverzeichnis der Datenanalysesoftware zurück.
- Wiederholen Sie die Schritte 4.1.5-4.1.26, um ggf. weitere Prüftermine zu erhalten.
- Öffnen Sie die Microsoft Excel-Datei testingDates.xlsx, die den Code anweist, benutzerdefinierte Testdaten zu analysieren.
- Listen Sie die Testdaten in der ersten Spalte im folgenden Format auf: MM/TT/JJ.
- Geben Sie in der zweiten Spalte mit einem Y (für ja) oder N (für nein) an, ob Proben an diesem speziellen Prüfdatum aus der experimentellen Gruppe (Spannungsrelaxation gefolgt von mechanischem Versagen) stammen.
- Geben Sie in der dritten Spalte mit einem Y (für ja) oder N (für nein) an, ob Proben an diesem speziellen Prüfdatum aus der Kontrollgruppe (direktes mechanisches Versagen) stammten.
- Wiederholen Sie die Schritte 4.1.29-4.1.31, um weitere Testtermine zu erhalten.
- Speichern und schließen Sie die aktuelle Microsoft Excel-Datei testingDates.xlsx.
- Kehren Sie zum Arbeitsverzeichnis der Datenanalysesoftware zurück.
- Öffnen Sie die Hauptskriptdatei main_relax_failure.m.
- Wählen Sie den großen, grünen Pfeil auf der Softwareoberfläche aus, um den Code auszuführen. Alternativ können Sie im Befehlsfenster run main_calc_relax eingeben.
- Wenn Sie dazu aufgefordert werden, geben Sie kommagetrennte feste Dehnungsniveaus (in %) für die verschiedenen Versuchsgruppen ein und drücken Sie OK.
HINWEIS: In der aktuellen Studie wurde nur eine Spannungsrelaxationsdehnung verwendet, d.h. geben Sie 10 ein. Geben Sie nicht 0 % für die Kontrollgruppe an. Wenn die Daten jedoch aus mehreren Dehnungen abgeleitet wurden, z. B. 10% und 20%, geben Sie 10,20 ein. - Wenn Sie dazu aufgefordert werden, geben Sie kommagetrennte Spannungsrelaxationstestdauern (in Sekunden) für die verschiedenen Versuchsgruppen ein und drücken Sie OK.
HINWEIS: In der aktuellen Studie wurden Trachealproben bei fester Dehnung für 300 s gehalten und somit 300 eingegeben. Wenn jedoch Daten aus mehreren Spannungsrelaxationsdauern abgeleitet wurden, z. B. 90 s und 300 s, geben Sie 90.300 ein.
- Viskoelastische Spannungsrelaxationsreaktion
- Konvertieren Sie mit dem Code (main_relax_failure.m) Lastzeitdaten (Codezeile 144) mithilfe der folgenden Gleichung19 in nominale Spannungszeitdaten: , wobei σ die Spannung (Megapascal [MPa]), F die Umfangs- oder axiale Last (Newton [N]) und A0 die anfängliche Querschnittsfläche (Millimeter im Quadrat [mm2]) darstellt.
- Bestimmen Sie unter Verwendung des Codes (main_relax_failure.m) die Spitzenlast- und Spannungsgrößen (Codezeilen 138 und 146) als Reaktion auf die Anwendung der festen Dehnung von 10 % auf die Probe zu Beginn des Relaxationstests von 300 s.
HINWEIS: Diese Werte werden im Folgenden als Anfangsspitzenlast bzw. Anfangsspitzenspannung bezeichnet. - Berechnen Sie mithilfe des Codes (main_relax_failure.m) die prozentuale Verringerung der Spannung (oder Last) bei 300 s (Codezeilen 141 und 149) unter Verwendung der folgenden Gleichung:
, wobei Rel% den Relaxationsprozentsatz, σ(0+) die anfängliche Spitzenspannung (oder anfängliche Spitzenlast) und σ(300) den aufgezeichneten Spannungspegel (oder Lastpegel) nach der Relaxation über 300 s darstellt. - Im Code (main_relax_failure.m) finden Sie die Modellierung der viskoelastischen Spannungsrelaxationsreaktion (Codezeilen 152-161) unter Verwendung eines exponentiellen Zerfallsmodells der Prony-Reihe mit zwei Termen. Dieses Modell wird häufig verwendet, um das viskoelastische Verhalten verschiedener biologischer Gewebe zu beschreiben, einschließlich verschiedener knorpeliger Atemwegsebenen (Luftröhre, große Bronchien und kleine Bronchien)21,22.
ANMERKUNG: Berechnete Spannungswerte [σ(t)] werden normalisiert, um die folgende verminderte Relaxationsfunktion zu erzeugen:
und G(0) = 1. Um viskoelastische Spannungsrelaxationsreaktionen zu vergleichen, wird G(t) unter Verwendung der nichtlinearen Regression der kleinsten Quadrate wie folgt kurvenangepasst:
, wobei t die Zeit während der Spannungsrelaxation hält, g der Relaxationskoeffizient, τ1 und τ2 ist und die Relaxationszeiten (in Sekunden) angeben, die das kurz- (initiale) bzw. langfristige (Gleichgewichts-) Verhalten des Gewebes beschreiben.
- Konvertieren Sie mit dem Code (main_relax_failure.m) Lastzeitdaten (Codezeile 144) mithilfe der folgenden Gleichung19 in nominale Spannungszeitdaten: , wobei σ die Spannung (Megapascal [MPa]), F die Umfangs- oder axiale Last (Newton [N]) und A0 die anfängliche Querschnittsfläche (Millimeter im Quadrat [mm2]) darstellt.
- Mechanisches Versagensverhalten
- Verwenden Sie Code (main_relax_failure.m), um die von der Zugprüfmaschine aufgezeichneten Last-Weg-Daten (Codezeilen 143-144) unter Verwendung der in der nachstehenden Anmerkung genannten Gleichungen in Nennspannungs-Dehnungsdaten umzuwandeln.
ANMERKUNG:, wobei σ die Nennspannung (MPa), F die Umfangs- oder Axiallast (N) und A0 die anfängliche Querschnittsfläche (mm2) darstellt, wobei 
die resultierende Dehnung, 
ΔL die Verschiebung und L0 die Anfangslänge der Probe darstellt. Für Proben, die einem Versagenszugversuch nach Spannungsrelaxation unterzogen werden, stellt L0 die vorgestreckte Länge des Gewebes dar. Zum Beispiel wurde Probe 3 (Anfangslänge von 8 mm) auf 10% vorgestreckt, und daher wurde L0 als 8,8 mm für die Berechnung der resultierenden Dehnungswertebetrachtet 19. - Verwenden Sie die Funktion (calc_relax_failure.m), um die maximale Last (d. h. Ausfalllast) und die entsprechende Fehlerverschiebung sowie die maximale Spannung (d. h. die Ausfallspannung) und die entsprechende Ausfalldehnung (Codezeilen 33 und 61-63) zu identifizieren.
- Verwenden Sie die Funktion (calc_relax_failure.m), um die Lastverschiebungsdaten nach der Ausfalllast zu verwerfen (Zeile 34).
- Verwenden Sie die Funktion (calc_relax_failure.m), um die Last-Weg-Kurve zu zeichnen, und wählen Sie bei Aufforderung manuell zwei Punkte im linearen Bereich der Kurve aus, um die Gewebesteifigkeit (N/mm) anzunähern (Codezeilen 37-58).
ANMERKUNG: Da die Last-Verschiebungskurve durch die Querschnittsfläche und die Anfangslänge der Probe normalisiert wird, um die Spannungs-Dehnungs-Kurve zu erhalten, verwendet der Code die vom Benutzer ausgewählten x- und y-Koordinaten aus der Last-Weg-Kurve, um den Elastizitätsmodul (MPa) unter Verwendung der folgenden Gleichung19 zu berechnen:
, wobei E den Elastizitätsmodul darstellt, x und y die ausgewählten Koordinaten auf der Last-Weg-Kurve, A 0 stellt die Querschnittsfläche dar, L0 die Länge der Probe zu Beginn des mechanischen Versagens und Δσ und Δ stellen die Änderung der Spannung bzw. Dehnung über den linearen Bereich der Fehlerantwort dar. - Wiederholen Sie Schritt 4.3.4 für jede Probe.
- Verwenden Sie Code (main_relax_failure.m), um die von der Zugprüfmaschine aufgezeichneten Last-Weg-Daten (Codezeilen 143-144) unter Verwendung der in der nachstehenden Anmerkung genannten Gleichungen in Nennspannungs-Dehnungsdaten umzuwandeln.
- Datenausgabe
- Sobald der Code erfolgreich ausgeführt wurde, stellen Sie sicher, dass die berechneten Ergebnisse im Arbeitsverzeichnis der Datenanalysesoftware als Microsoft Excel-Datei in der folgenden Namenskonvention verfügbar sind: relax_failure_results_mmddyy.xlsx, wobei mmddyy durch das Datum ersetzt wird, an dem der Code ausgeführt wurde.
, wobei Rel% den Relaxationsprozentsatz, σ(0+) die anfängliche Spitzenspannung (oder anfängliche Spitzenlast) und σ(300) den aufgezeichneten Spannungspegel (oder Lastpegel) nach der Relaxation über 300 s darstellt.
und G(0) = 1. Um viskoelastische Spannungsrelaxationsreaktionen zu vergleichen, wird G(t) unter Verwendung der nichtlinearen Regression der kleinsten Quadrate wie folgt kurvenangepasst:
, wobei t die Zeit während der Spannungsrelaxation hält, g der Relaxationskoeffizient, τ1 und τ2 ist und die Relaxationszeiten (in Sekunden) angeben, die das kurz- (initiale) bzw. langfristige (Gleichgewichts-) Verhalten des Gewebes beschreiben.
die resultierende Dehnung, 
ΔL die Verschiebung und L0 die Anfangslänge der Probe darstellt. Für Proben, die einem Versagenszugversuch nach Spannungsrelaxation unterzogen werden, stellt L0 die vorgestreckte Länge des Gewebes dar. Zum Beispiel wurde Probe 3 (Anfangslänge von 8 mm) auf 10% vorgestreckt, und daher wurde L0 als 8,8 mm für die Berechnung der resultierenden Dehnungswertebetrachtet 19.
, wobei E den Elastizitätsmodul darstellt, x und y die ausgewählten Koordinaten auf der Last-Weg-Kurve, A 0 stellt die Querschnittsfläche dar, L0 die Länge der Probe zu Beginn des mechanischen Versagens und Δσ und ΔSubscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Abbildung 1 zeigt das ausgefallene Gewebe in der Nähe der Klemmstelle und das Vorhandensein von Gewebe in der Klemme, was bestätigt, dass während des Zugversuchs kein Schlupf besteht. Abbildung 2 zeigt verschiedene Versagensstellen, einschließlich der oberen oder unteren Klemmstellen oder entlang der Länge des Gewebes, die während des Zugversuchs unter den getesteten Proben beobachtet wurden. Die Ergebnisse der Datenanalyse sind in den Abbildungen 3-4 und den Tabellen 1-2 zusammengefasst. Stressrelaxationsreaktionen für Trachealproben nach axialer oder umlaufender Vordehnung auf 10% Dehnung sind in Abbildung 3 dargestellt. Aus diesen Relaxationskurven wurden die anfängliche Spitzenlast und Spannung, die prozentuale Spannungsreduktion über die 300 s und die Zeitkonstanten t1 und t2 in einer 2-Term-Prony-Spannungsfunktion berechnet. Diese viskoelastischen Parameter sind in Tabelle 1 aufgeführt. Die Spannungs-Dehnungs-Reaktionen der Trachealprobe, die einer Versagensprüfung unter axialen oder umlaufenden Belastungen unterzogen wurde, nachdem keine Vordehnung oder 10 % Vordehnung erfolgt ist, sind in Abbildung 4 dargestellt. Aus diesen Kurven wurden die Bruchspannung und die entsprechende Bruchdehnung sowie der Elastizitätsmodul ermittelt und sind in Tabelle 2 aufgeführt.
Die Vorversuche charakterisierten erfolgreich die Stress-Entspannungs-Reaktionen des Trachealgewebes. In diesen ersten Experimenten berichtete die 10%ige Spannungsrelaxationsreaktion vor der Dehnung, dass die anfängliche Spitzenspannung in axialen Belastungsrichtungen höher war, während die prozentuale Verringerung der Spannung in der Umfangslastrichtung im Vergleich zur axialen Belastungsrichtung höher war (Tabelle 1). Die Relaxationszeiten (τ1 und τ2 , die das kurz- [initiale] und langfristige [Gleichgewichts]-Verhalten des Gewebes beschreiben) waren in axialer Belastungsrichtung ebenfalls höher als in der umlaufenden Belastungsrichtung für die gleiche 10%-Vordehnungsgruppe. Beim Vergleich der Versagensdaten waren die Versagensspannung und die E-Werte in den umlaufenden Belastungsrichtungen sowohl in der 0%- als auch in der 10%-Vordehnungsgruppe höher, während die in den axialen Belastungsrichtungen gemeldete Versagensdehnung höher war (Tabelle 2). Diese vorläufigen Ergebnisse rechtfertigen zusätzliche Experimente, um die Stress-Entspannungs- und Versagensreaktionen im Trachealgewebe weiter zu charakterisieren, um seine Spannungsrelaxationsreaktionen unter Zugbelastungsbedingungen sowohl axial als auch umlaufend besser zu verstehen. Die in diesem Protokoll beschriebenen Schritte können dazu beitragen, dieses Ziel zu erreichen.
Abbildung 1: Details zur Gewebeentnahme und mechanischen Prüfung. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 2: Fehlerstellen. Beispiele für Fehlerstellen, die durch gelbe Pfeile gekennzeichnet sind. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
Abbildung 3: Spannungsrelaxationsreaktion über einen 300-s-Griff von Tracheaproben, vorgedehnt auf 10% Dehnung. (A) Axiale oder (B) Umfangsbelastung (n = 1 pro Belastungsbedingung). Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
Abbildung 4: Spannungs-Dehnungs-Reaktionen für die Fehlerprüfung von Tracheaproben unter axialer oder umlaufender Belastung nach keiner Vordehnung oder 10% Vordehnung (n = 1 pro Beladungsbedingung). Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
| Probe | Belastung vor der Dehnung | Ladeorientierung | Anfangslastspitze (N) | Anfangs-Spitzenspannung (MPa) | % Stressreduktion | τ1 (s) | τ2 (s) | Bereinigte R2 (%) | |
| 3 | 10% | Axial | 0.56 | 0.089 | 33.93 | 11.59 | 152.44 | 98.79 | |
| 4 | Umlaufende | 0.26 | 0.057 | 42.31 | 1.58 | 14.86 | 99.08 | ||
Tabelle 1: Gemessene und berechnete Spannungsrelaxationsparameterwerte für Tracheaproben, die einer Vordehnung von 10% Dehnung ausgesetzt sind, um 300 s lang einer Spannungsrelaxation zu unterziehen.
| Probe | Belastung vor der Dehnung | Ladeorientierung | Versagensstress (MPa) | Ausfallbelastung | Elastizitätsmodul (MPa) |
| 3 | 10% | Axial | 0.89 | 0.38 | 2.9 |
| 4 | Umlaufende | 1.78 | 0.51 | 3.74 | |
| 5 | 0% (nur Fehler) | Axial | 1.02 | 0.86 | 2.3 |
| 6 | Umlaufende | 2.15 | 0.57 | 6.3 |
Tabelle 2: Versagensreaktionen von Tracheaproben unter verschiedenen experimentellen Gruppen.
Ergänzende Kodierungsdatei 1: Die benutzerdefinierten Codes zur Untersuchung des Stress-Entspannungs-Verhaltens der Luftröhre. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Nur sehr wenige Studien haben über die stressentspannenden Eigenschaften der Luftröhre berichtet21,23. Studien sind notwendig, um unser Verständnis der zeitabhängigen Reaktionen des Trachealgewebes weiter zu stärken. Diese Studie bietet detaillierte Schritte zur Durchführung solcher Untersuchungen; Für eine zuverlässige Prüfung müssen jedoch die folgenden kritischen Schritte innerhalb des Prüfplans sichergestellt werden: (1) ordnungsgemäße Gewebehydratation, (2) ähnliche Verteilung des Gewebetyps (Anzahl der Knorpelringe und Muskeln) in Umfangs- und Längsproben, (3) Klemmen der Probe ohne Vordehnung, (4) Verwendung der Probendicke und -breite zur Schätzung der Querschnittsfläche, die zur Berechnung der Gewebespannung während der biomechanischen Zugversuche verwendet wird, (5) ordnungsgemäßes Klemmen der Gewebeprobe, 6) Verwendung der Eichlänge der gespannten Probe zur Eingabe der Dehnungsrate von 1% / s für Zugversuche und (7) Bestätigung des fehlenden Schlupfs bei Vorhandensein von Gewebe in der Klemme nach der Prüfung. Darüber hinaus kann die Fehlerbehebung einen Neustart der Datenerfassungssoftware erfordern, um die Kommunikation mit dem Prüfgerätecontroller wiederherzustellen.
Die aktuelle Studie bietet auch detaillierte Beschreibungen der Testmethoden, Datenanalysen und der benutzerdefinierten MATLAB-Codes (Supplementary Coding File 1), die zur Untersuchung des Stress-Entspannungs-Verhaltens der Luftröhre erstellt wurden. Keine früheren Studien liefern so umfassende Informationen. Darüber hinaus können die in der aktuellen Studie beschriebenen Methoden im Bildungsbereich problemlos als Lehrmodul für Stress-Entspannungslabore in Ingenieurstudiengänge sowohl in traditionellen als auch in Virtual-Reality-Formaten integriert werden24,25,26,27.
Derzeit verfügbare Stress-Entspannungs-Studien an der Luftröhre und anderen Weichteilen passen zur Entspannungsfunktion einer zweisemestrigen Prony-Serie28,29,30. Auch die aktuelle Studie nutzt diese Funktion; Zukünftige Studien könnten ihre Untersuchung jedoch erweitern, indem sie quasilineare viskoelastische Modellierungstechniken verwenden, um viskoelastisches Verhalten zu charakterisieren. Solche Studien werden nicht nur dazu beitragen, ein robustes prädiktives Computermodell der Atemwegsbiomechanik zu erstellen, sondern auch dazu beitragen, Implantate wie Atemwegsstents zu entwerfen, die Gewebematerialeigenschaften für Leistungstests erfordern.
Schließlich können die in dieser Studie beschriebenen Methoden nicht nur verwendet werden, um die Auswirkungen von Alter und Art auf das Stress-Entspannungsverhalten der Luftröhre zu beurteilen, sondern können auch auf anderes weiches und hartes Gewebe wie Bänder, Bandscheiben und Knochen angewendet werden. Solche viskoelastischen Daten können integriert werden, um bestehende High-Fidelity-Finite-Elemente-Berechnungsmodelle31,32,33 zu verbessern.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Die Autoren haben nichts offenzulegen.
Acknowledgments
Die in dieser Publikation berichtete Forschung wurde vom Eunice Kennedy Shriver National Institute of Child Health and Human Development der National Institutes of Health unter der Preisnummer R15HD093024 und der National Science Foundation CAREER Award Number 1752513 unterstützt.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Disposable safety scalpels | Fine Science Tools Inc | 10000-10 | |
| eXpert 7600 | ADMET Inc. | N/A | Norwood, MA |
| Forceps | Fine Science Tools Inc | 11006-12 and 11027-12 or 11506-12 | |
| Gauge Safe | ADMET Inc. | N/A | Free Download |
| Image J | NIH | N/A | Open Source |
| Proramming Software - MATLAB | Mathworks | N/A | version 2018A |
| Scissors | Fine Science Tools Inc | 14094-11 or 14060-09 | |
| Sterile phosphate buffer solution | Millipore, Thomas Scientific | MFCD00131855 |
References
- Brand-Saberi, B. E. M., Schäfer, T.
- Barnett, S. B., Nurmagambetov, T. A. Costs of asthma in the United States: 2002-2007. The Journal of Allergy and Clinical Immunology. 127 (1), 145-152 (2011).
- Centers for Disease Control and Prevention. Chronic Obstructive Pulmonary Disease (COPD). Centers for Disease Control and Prevention. , Available from: https://www.cdc.gov/copd/index.html (2022).
- Wilson, L., Devine, E. B., So, K. Direct medical costs of chronic obstructive pulmonary disease: chronic bronchitis and emphysema). Respiratory Medicine. 94 (3), 204-213 (2000).
- Codd, S. L., Lambert, R. K., Alley, M. R., Pack, R. J. Tensile stiffness of ovine tracheal wall. Journal of Applied Physiology. 76 (6), 2627-2635 (1994).
- Noble, P. B., Sharma, A., McFawn, P. K., Mitchell, H. W. Elastic properties of the bronchial mucosa: epithelial unfolding and stretch in response to airway inflation. Journal of Applied Physiology. 99 (6), 2061-2066 (2005).
- Teng, Z., et al. Anisotropic material behaviours of soft tissues in human trachea: An experimental study. Journal of Biomechanics. 45 (9), 1717-1723 (2012).
- Wang, L., et al. Mechanical properties of the tracheal mucosal membrane in the rabbit. I. steady-state stiffness as a function of age. Journal of Applied Physiology. 88 (3), 1014-1021 (2000).
- Ambrosi, D., et al. Perspectives on biological growth and remodeling. Journal of the Mechanics and Physics of Solids. 59 (4), 863-883 (2011).
- Bai, T. R., Knight, D. A. Structural changes in the airways in asthma: Observations and consequences. Clinical Science. 108 (6), 463-477 (2005).
- Singh, A. Extent of impaired axoplasmic transport and neurofilament compaction in traumatically injured axon at various strains and strain rates. Brain Injury. 31 (10), 1387-1395 (2017).
- Singh, A., Kallakuri, S., Chen, C., Cavanaugh, J. M. Structural and functional changes in nerve roots due to tension at various strains and strain rates: An in-vivo study. Journal of Neurotrauma. 26 (4), 627-640 (2009).
- Singh, A., Lu, Y., Chen, C., Cavanaugh, J. M. Mechanical properties of spinal nerve roots subjected to tension at different strain rates. Journal of Biomechanics. 39 (9), 1669-1676 (2006).
- Singh, A., Lu, Y., Chen, C., Kallakuri, S., Cavanaugh, J. M. A new model of traumatic axonal injury to determine the effects of strain and displacement rates. Stapp Car Crash Journal. 50, 601-623 (2006).
- Singh, A., Magee, R., Balasubramanian, S. Methods for in vivo biomechanical testing on brachial plexus in neonatal piglets. Journal of Visualized Experiments. (154), e59860 (2019).
- Singh, A., Magee, R., Balasubramanian, S. Mechanical properties of cervical spinal cord in neonatal piglet: in vitro. Neurology and Neurobiology. 3 (2), (2020).
- Singh, A., Magee, R., Balasubramanian, S. An in vitro study to investigate biomechanical responses of peripheral nerves in hypoxic neonatal piglets. Journal of Biomechanical Engineering. 143 (11), 114501 (2021).
- Singh, A., Shaji, S., Delivoria-Papadopoulos, M., Balasubramanian, S. Biomechanical responses of neonatal brachial plexus to mechanical stretch. Journal of Brachial Plexus and Peripheral Nerve Injury. 13, 8-14 (2018).
- Singh, A. The effects of tensile loading on mechanical, neurophysiological and morphological changes in spinal nerve roots. , Wayne State University. PhD thesis (2006).
- Schneider, C. A., Rasband, W. S., Eliceiri, K. W. NIH Image to ImageJ: 25 years of image analysis. Nature Methods. 9 (7), 671-675 (2012).
- Eskandari, M., Arvayo, A. L., Levenston, M. E. Mechanical properties of the airway tree: Heterogeneous and anisotropic pseudoelastic and viscoelastic tissue responses. Journal of Applied Physiology. 125 (3), 878-888 (2018).
- Toby, E. B., Rotramel, J., Jayaraman, G., Struthers, A. Changes in the stress relaxation properties of peripheral nerves after transection. Journal of Hand Surgery. 24 (4), 694-699 (1999).
- Safshekan, F., Tafazzoli-Shadpour, M., Abdouss, M., Shadmehr, M. B. Viscoelastic properties of human tracheal tissues. Journal of Biomechanical Engineering. 139 (1), (2017).
- Singh, A. A new approach to teaching biomechanics through active, adaptive, and experiential learning. Journal of Biomechanical Engineering. 139 (7), 0710011-0710017 (2017).
- Singh, A., Ferry, D., Balasubramanian, S. Efficacy of clinical simulation based training in biomedical engineering education. Journal of Biomechanical Engineering. 141 (12), 121011-121017 (2019).
- Singh, A., Ferry, D., Mills, S. Improving biomedical engineering education through continuity in adaptive, experiential, and interdisciplinary learning environments. Journal of Biomechanical Engineering. 140 (8), 0810091-0810098 (2018).
- Singh, A., Ferry, D., Ramakrishnan, A., Balasubramanian, S. Using virtual reality in biomedical engineering education. Journal of Biomechanical Engineering. 142 (11), 111013 (2020).
- Majmudar, T., Balasubramanian, S., Magee, R., Gonik, B., Singh, A. In-vitro stress relaxation response of neonatal peripheral nerves. Journal of Biomechanical Engineering. 128, 110702 (2021).
- Orozco, V., Magee, R., Balasubramanian, S., Singh, A. A systematic review of the tensile biomechanical properties of the neonatal brachial plexus. Journal of Biomechanical Engineering. 143 (11), 110802 (2021).
- Singh, A. M. T., Magee, R., Gonik, B., Balasubramanian, S. Effects of pre-stretch on neonatal peripheral nerve: An in-vitro study. Journal of Brachial Plexus and Peripheral Nerve Injury. 17 (1), 1-9 (2022).
- Balasubramanian, S., D'Andrea, C., Viraraghavan, G., Cahill, P. J. Development of a finite element model of the pediatric thoracic and lumbar spine, ribcage, and pelvis with orthotropic region-specific vertebral growth. Journal of Biomechanical Engineering. 144 (10), 101007 (2022).
- Hadagali, P., Peters, J. R., Balasubramanian, S. Morphing the feature-based multi-blocks of normative/healthy vertebral geometries to scoliosis vertebral geometries: Development of personalized finite element models. Computer Methods in Biomechanics and Biomedical Engineering. 21 (4), 297-324 (2018).
- Singh, A. Available computational and physical models to understand the mechanisms of neonatal brachial plexus injury during shoulder dystocia. Open Access Journal of Neurology and Neurosurgery. 9 (4), 555768 (2019).
