本实验方案旨在测定猪气管的拉伸应力松弛特性及失效特性。通过此类方法获得的结果有助于加深对气管黏弹性及失效阈值的理解，并推动肺系统计算模型的进一步发展。
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摘要
摘要
气管的生物力学特性直接影响气流，并对呼吸系统的生物学功能起重要作用。理解这些特性对于阐明该组织的损伤机制至关重要。本实验方案描述了一种研究猪气管应力松弛行为的方法，实验中将气管预拉伸至0%或10%应变并维持300秒，随后进行机械拉伸加载直至组织断裂。本研究详细介绍了实验设计、数据采集、分析方法以及猪气管生物力学测试的初步结果。通过本方案提供的详细步骤以及用于数据分析的MATLAB代码，后续研究可进一步探讨气管组织的时变黏弹性行为，这对于理解其在生理、病理及创伤条件下的生物力学响应具有重要意义。此外，对气管生物力学行为的深入研究将有助于改进相关医疗器械的设计，例如在手术中广泛使用的气管内植入物。
引言
尽管气管作为肺部疾病中最重要的气道结构，但有关其黏弹性特性的研究仍然有限1。深入理解气管的时间依赖性黏弹性行为对于呼吸力学研究至关重要，因为了解特定气道的材料特性有助于推动肺部疾病（在美国是第三大死因）的损伤预防、诊断以及临床干预的科学发展2,3,4。
现有的组织表征研究已报道了气管的刚度特性5,6,7,8。尽管时间依赖性力学响应在组织重塑中具有重要意义，且病理状态会改变这一过程，但相关研究仍十分有限9,10。此外，缺乏时间依赖性响应数据也限制了肺力学计算模型的预测能力，目前这些模型只能依赖通用的本构关系。因此，有必要通过开展应力松弛研究来弥补这一空白，以获取必要的材料特性参数，为气管的生物物理研究提供依据。本研究详细介绍了用于探究猪气管应力松弛行为的测试方法、数据采集及数据....
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方案
所有所述方法均经德雷塞尔大学机构动物护理和使用委员会（IACUC）批准。所有尸体动物均来自位于美国宾夕法尼亚州的美国农业部（USDA）批准的农场。本研究使用了一具雄性约克夏猪（3周龄）的尸体。
1. 组织采集
- 从经批准的农场获取猪的尸体，并在安乐死后2小时内完成实验。在组织取材完成前，将尸体保存在冰上，以确保新鲜组织的生物力学特性得以保留。
注意：在已发表的文献中，动物新鲜组织的测试通常在安乐死后2小时内进行。详情请参见参考文献11,12,13,14,15,16,17,18,19。 - 将尸体置于仰卧位，沿颈部做一条垂直正中切口，暴露从舌骨至胸骨上切迹的甲状软骨、环状软骨和气管。 ....
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结果
图1显示了夹持部位附近的组织失效情况以及夹具内部存在的组织，证实了在拉伸测试过程中未发生滑移。图2展示了在测试样本的拉伸试验中观察到的各种断裂位置，包括上端或下端夹持处，或沿组织长度方向的断裂。数据分析结果总结于图3-4及表1-2中。气管样本在轴向或周向预拉伸至10%应变后的应力松弛响应如图3所示。根据这些松弛曲线，计算了初始峰值载荷和应力、在300秒保持期间应力下降的百分比，以及两参数Prony级数松弛函数中的时间常数t1和t2。这些黏弹性参数列于表1中。在无预拉伸或10%预拉伸条件下，气管样本在轴向或周向载荷作用下进行破坏测试的应力-应变响应如图4
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讨论
极少有研究报道气管的应力松弛特性21,23。目前仍需开展更多研究以进一步加深对气管组织时间依赖性响应的理解。本研究提供了开展此类研究的详细步骤；然而，为确保测试结果可靠，必须严格保证以下关键步骤：（1）保持组织充分水合，（2）环向和纵向样本中组织类型（软骨环数量和肌肉）分布相似，（3）夹持样本时不施加预拉伸，（4）利用样本厚度和宽度估算横截面积，用于在生物力学拉伸测试中计算组织应力，（5）正确夹持组织样本，（6）使用夹持样本的标距长度设定1%/s的应变率进行拉伸测试，以及（7）测试后检查夹具内是否存在组织残留，以确认无滑脱现象。此外，若需排除故障，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。
本研究还详细描述了用于研究气管应力松弛行为的测试方法、数据分析过程以及定制的 MATLAB 代码（补充代码文件 1）。此前尚无研究提供如此全面的信息。此外，在教育方面，本研究中所述方法可轻松整合为工程课程中应力松弛实验的教学.......
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披露
作者无任何利益冲突需要披露。
致谢
本研究的资助来自美国国立卫生研究院尤妮斯·肯尼迪·施莱佛国家儿童健康与人类发展研究所，项目编号为 R15HD093024，以及美国国家科学基金会职业奖，编号为 1752513。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 一次性安全手术刀 | Fine Science Tools Inc | 10000-10 | |
| eXpert 7600 | ADMET Inc. | N/A | Norwood, MA |
| 镊子 | Fine Science Tools Inc | 11006-12 和 11027-12 或 11506-12 | |
| Gauge Safe | ADMET Inc. | N/A | 免费下载 |
| Image J | NIH | N/A | 开源 |
| 编程软件 - MATLAB | Mathworks | N/A | 版本 2018A |
| 剪刀 | Fine Science Tools Inc | 14094-11 或 14060-09 | |
| 无菌磷酸盐缓冲液 | Millipore, Thomas Scientific | MFCD00131855 |
参考文献
- Brand-Saberi, B. E. M., Schäfer, T. Trachea: Anatomy and physiology. Thoracic Surgery Clinics. 24, 1-5 (2014).
- 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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