Method Article

调查气管中的应力松弛和失效反应

DOI:

10.3791/64245

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October 18th, 2022

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1Department of Biomedical Engineering, Widener University, 2Drexel University College of Medicine, 3School of Biomedical Engineering, Science and Health Systems, Drexel University, 4Rosetree Media School District

In This Article

Summary

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本方案确定了猪气管的拉伸应力松弛和破坏特性。这些方法的结果可以帮助提高对气管粘弹性和衰竭阈值的理解，并有助于提高肺系统计算模型的能力。

Abstract

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气管的生物力学特性直接影响气流，并有助于呼吸系统的生物功能。了解这些性质对于了解该组织中的损伤机制至关重要。该协议描述了一种实验方法，用于研究猪气管的应力松弛行为，该气管被预先拉伸至0%或10%应变300秒，然后进行机械拉伸载荷直至失效。本研究详细介绍了猪气管生物力学测试的实验设计、数据采集、分析和初步结果。使用该协议中提供的详细步骤和数据分析MATLAB代码，未来的研究可以研究气管组织的时间依赖性粘弹性行为，这对于了解其在生理，病理和创伤条件下的生物力学反应至关重要。此外，对气管生物力学行为的深入研究将极大地有助于改善相关医疗设备的设计，例如在手术过程中广泛使用的气管内植入物。

Introduction

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尽管其在肺部疾病中起着关键作用，但最大的气道结构气管对其粘弹性的研究有限1.深入了解气管的时间依赖性粘弹性行为对于肺力学研究至关重要，因为了解气道特异性材料特性可以帮助推进肺病的损伤预防，诊断和临床干预的科学，肺病是美国第三大死亡原因2，3，4。

现有的组织表征研究已经报道了气管5，6，7，8的刚度特性。尽管时间依赖性机械反应在组织重塑中很重要，但对时间依赖性机械反应的研究很少，病理学9，10也改变了这种反应。此外，缺乏时间依赖性响应数据也限制了目前诉诸于使用通用本构定律的肺力学计算模型的预测能力。需要通过进行应力松弛研究来解决这一差距，这些应力松弛研究可以提供所需的材料特性，为气管的生物物理研究提供信息。目前的研究提供了测试方法，数据采集和数据分析的详细信息，以研究猪气管的....

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Protocol

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所描述的所有方法都得到了德雷克塞尔大学机构动物护理和使用委员会（IACUC）的批准。所有尸体动物都是从位于美国宾夕法尼亚州的美国农业部（USDA）批准的农场获得的。本研究使用了一头雄性约克郡猪（3周龄）的尸体。

1. 组织采集

  1. 从批准的农场获取猪的尸体，并在安乐死后2小时内进行实验。将尸体放在冰上，直到组织收获完成，以确保新鲜的组织生物力学性质得到保护。
    注意:在已发表的文献中，动物的新鲜组织测试通常在安乐死后2小时内进行。有关详细信息，请参阅参考文献11、12、13、14、15、16、17、18、19。
  2. 将尸体置于仰卧位，沿颈部做一个垂直的中线切口，并将甲状腺软骨、环状软骨和气管从舌骨暴露到胸骨上切....

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Results

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图1显示了夹紧部位附近的失效组织和夹钳内组织的存在，确认在拉伸测试期间没有打滑。图2显示了在被测样品的拉伸测试期间观察到的各种失效部位，包括顶部或底部夹紧部位或沿组织长度。数据分析结果总结在图3-4和表1-2中。气管样品在轴向或圆周预拉伸至10%应变后的应力松弛响应如图3所示。根据这些弛豫曲线计算了2项Prony级松弛函数中的初始峰值载荷和应力，300 s保持期间应力的百分比降低以及时间常数t1和t2。这些粘弹性参数包含在表1中。图4显示了气管样品在没有预拉伸或10%预拉伸后在轴向或圆周载荷下进行失效测试的应力 - 应变响应。根据这些曲线，确.......

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Discussion

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很少有研究报告气管21，23的应力松弛特性。需要研究来进一步加强我们对气管组织的时间依赖性反应的理解。本研究报告提供了进行此类调查的详细步骤。然而，为了确保可靠的测试，必须确保方案内的以下关键步骤:（1）适当的组织水合作用，（2）圆周和纵向样品中的相似组织类型（软骨环和肌肉的数量）分布，（3）在没有预拉伸的情况下夹紧样品，（4）使用样品厚度和宽度来估计用于计算生物力学拉伸测试期间组织应力的横截面积， （5）正确夹紧组织样品，6）使用夹紧样品的量规长度输入1%/s的应变率进行拉伸试验，以及（7）在测试后确认夹具中存在组织时无打滑。此外，故障排除可能需要重新启动数据采集软件，以重新建立与测试设备控制器的通信。

目前的研究还提供了测试方法，数据分析和为研究气管的应力松弛行为而创建的自定义MATLAB代码（补充编码文件1）的详细说明。先前没有研究提供如此全面的信息。此外，在教育方面，当前研究中描述的方法可以很容易地整合到传统和虚拟现实格式的.......

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Disclosures

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作者没有什么可透露的。

Acknowledgements

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本出版物中报道的研究得到了美国国立卫生研究院尤尼斯·肯尼迪·施莱佛国家儿童健康和人类发展研究所的支持，奖项编号为R15HD093024，美国国家科学基金会CAREER奖编号1752513。

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Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
一次性安全手术刀Fine Science Tools Inc10000-10
eXpert 7600ADMET Inc.N/ANorwood， MA
镊子 Fine Science Tools Inc11006-12 和 11027-12 或 11506-12
规格安全ADMET Inc.N/A免费下载
图像 JNIHN/A开源
编程软件 - MATLAB MathworksN/A版本 2018A
剪刀 Fine Science Tools Inc14094-11 或 14060-09
无菌磷酸盐缓冲溶液 Millipore，Thomas ScientificMFCD00131855

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Brand-Saberi, B. E. M., Schäfer, T. Trachea: Anatomy and physiology. Thoracic Surgery Clinics. 24, 1-5 (2014).
  2. Barnett, S. B., Nurmagambetov, T. A. Costs of asthma in the United States: 2002-2007. The Journal of Allergy and Clinical Immunology. 127 (1), 145-1....

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