Name: 调查气管中的应力松弛和失效反应 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2022-10-18T12:30:00.000+00:00
Duration: 8 min 7 s
Description: 探索猪气管应力松弛与失效反应的实验方法，通过轴向和环向拉伸测试分析粘弹性特性。该方案为肺部力学计算模型提供关键数据支持，助力呼吸系统研究。

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

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。

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
<ol>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>使用#10刀片切除喉部及全长气管（图1A）。</li>
	<li>将气管样本与喉部分离，然后使用#10刀片沿一侧全长纵向切开气管管壁（图1B）。</li>
	<li>利用获取的横截面图像（使用ImageJ20获得，见材料表）测量气管厚度（图1C）。在数据分析过程中，使用测得的组织厚度计算横截面积。</li>
	<li>将气管切成两段周向条状样本（近端），宽度约为5 mm，以及两段纵向条状样本（远端），宽度也约为5 mm，所有条状样本的最小长度应为25 mm（图1D）。</li>
	<li>获取四个样本（即切割后的气管条）与标尺并列的图像。使用ImageJ对样本宽度进行数字化测量（图1E）。随后在数据分析过程中，利用该测得的宽度计算样本的横截面积。</li>
	<li>在整个研究过程中，确保所有组织样本均使用无菌磷酸盐缓冲液（PBS）保持湿润。测试前将样本保存在PBS浸湿的纱布中。测试前立即将组织浸入PBS中，以确保充分水合。</li>
</ol>
2. 生物力学测试
<ol>
	<li>将每个样品固定在定制设计的夹具上（参见先前的报道11,12,13,14,15,16,17,18,19），使样品在夹具之间沿纵向被夹持（图1F）。</li>
	<li>小心地将夹具固定在材料试验机上（见材料表），确保不引起任何拉伸，试验机的顶部作动器上装有50 N的载荷传感器（图1G）。</li>
	<li>使用直尺测量夹具之间的距离。将该距离作为应变计算的初始组织长度。</li>
	<li>以1%/s的应变速率对每个样品进行五次拉伸加载，完成预调处理，达到1%的应变。</li>
	<li>在峰值伸长率为0%或10%的条件下保持300秒，以研究组织的黏弹性应力松弛响应。</li>
	<li>在完成应力松弛测试后，立即以1%/s的速率拉伸组织，直至发生力学失效。</li>
	<li>记录失效位置，并通过测试后确认样品仍保留在夹具内来验证未发生滑移（图1H）。</li>
</ol>
3. 数据采集
<ol>
	<li>预处理过程中不得采集任何数据。</li>
	<li>使用任意数码相机以不低于每秒30帧的速度记录应力松弛和破坏测试的视频。</li>
	<li>在应力松弛和破坏测试期间，使用数据采集软件（见材料表）以每秒250个样本的采样率采集时间（s）、载荷（N）和位移（mm）数据。</li>
	<li>将采集的数据保存为.csv文件，并按照第4步所述用于数据分析。</li>
	<li>在应力松弛前、应力松弛后以及破坏后，采集夹持组织的静态图像（图2）。</li>
</ol>
4. 数据分析
<ol>
	<li>数据输入
	<ol>
		<li>下载并安装 MATLAB 数据分析软件（参见材料表），包括“优化”和“图像处理”工具箱。</li>
		<li>下载压缩文件夹（补充代码文件 1），其中包含 MATLAB 代码和一个样本数据集，用于解释数据分析步骤。</li>
		<li>进入下载的压缩文件夹并解压其内容。</li>
		<li>打开MATLAB，并将解压后的文件夹设置为工作目录。确保工作目录包含如下所述的文件夹和文件，命名方式见下文注释。确保该工作目录中不包含其他额外的文件夹或文件，以免干扰代码运行并导致错误。 
		注：(1) 失效（松弛后），(2) 仅失效，(3) 松弛，(4) calc_relax_failure.m，(5) main_relax_failure.m，(6) testingDates.xlsx。</li>
		<li>进入仅失效文件夹。 
		注：此文件夹中的数据来源于本研究的对照组，即在 0% 延伸率条件下经历机械失效的气管样本的生物力学数据。</li>
		<li>将特定测试日期的样本数据存储在一个 Microsoft Excel 文件中，文件命名格式如下：mmddyy。例如，2022 年 4 月 30 日测试的所有对照组气管样本数据必须存储在仅失效 | 043022.xlsx中。 
		注：请注意，在本研究中，所有生物力学测试均在同一天完成；但如果数据来自多个测试日期，则需为每个测试日期创建一个新的 Microsoft Excel 文件，并按上述命名规则命名。</li>
		<li>打开仅失效 | 043022.xlsx，确认其中包含多个工作表标签，每个标签包含在该特定日期（即 2022 年 4 月 30 日）进行机械失效测试的每个样本的原始数据。</li>
		<li>确保样本按以下格式命名：[样本类型]_[样本编号]_[预拉伸应变水平]%。 
		注：例如，在本研究中，对照组气管样本在轴向或周向加载下进行机械失效测试，且未经历任何预松弛过程。因此，这些样本的命名格式分别为TA_1_0%和TC_1_0%。其中“0%”表示无预拉伸。实验组气管样本首先在 10% 的固定延伸率下进行轴向或周向加载，以评估黏弹性应力松弛响应，随后进行机械失效测试。因此，这些样本的命名格式为TA_1_10%和TC_1_10%（请参见步骤 4.1.16 和步骤 4.1.23，分别代表轴向和周向加载条件）。</li>
		<li>选择工作表标签TA_1_0%。确保原始数据的列标题与下文注释中加粗显示的内容完全一致。 
		注：(1) 时间 (sec)，(2) 载荷 (N)，(3) 位移 (mm)，(4) 直径 (mm)（步骤 1.7），(5) 平均横截面积（厚度 × 宽度，mm2）（在步骤 1.5 和步骤 1.7 中获得），(6) 初始长度 (mm)（步骤 2.3）。</li>
		<li>关闭当前 Microsoft Excel 文件仅失效 | 043022.xlsx。</li>
		<li>返回数据分析软件的工作目录。</li>
		<li>进入松弛文件夹。 
		注：此文件夹中的数据来源于本研究的实验组，即在 10% 固定延伸率下进行 300 秒应力松弛测试的气管样本的生物力学数据。</li>
		<li>将特定测试日期的实验组样本数据存储在一个 Microsoft Excel 文件中，命名格式如下：mmddyy。 
		注：例如，2022 年 4 月 30 日测试的所有实验组气管样本数据必须存储在松弛 | 043022.xlsx中。更多细节请参见步骤 4.1.6 的注释。</li>
		<li>打开松弛 | 043022.xlsx，确认其中包含多个工作表标签，每个标签包含在该特定日期（即 2022 年 4 月 30 日）测试的实验组中每个样本的原始载荷松弛数据。</li>
		<li>暂停并注意，此 Microsoft Excel 文件中各工作表标签所对应的样本随后均在拉伸机械载荷下进行了机械失效测试。 
		注：每个样本对应的失效数据必须存储在失效（松弛后）文件夹中，详见步骤 4.1.20。</li>
		<li>确保样本命名方式符合步骤 4.1.8 中描述的规则。</li>
		<li>逐一查看当前 Microsoft Excel 文件中的每个工作表标签，并参考步骤 4.1.9，确保由任一工作表标签指示的每个样本的原始载荷松弛数据格式正确。</li>
		<li>保存并关闭当前 Microsoft Excel 文件松弛 | 043022.xlsx。</li>
		<li>返回数据分析软件的工作目录。</li>
		<li>进入文件夹失效（松弛后）。</li>
		<li>确保存在与松弛文件夹中日期相同的 Microsoft Excel 文件（有关对应各测试日期的 Microsoft Excel 文件命名详情，请参见步骤 4.1.6）。 
		注：当前文件夹（失效（松弛后））中的数据为经历 10% 固定延伸率下 300 秒应力松弛测试后气管样本对应的原始机械失效数据。</li>
		<li>打开失效（松弛后）| 043022.xlsx，确认其中包含多个工作表标签，每个标签包含与松弛 | 043022.xlsx中相同样本的原始机械失效数据。</li>
		<li>确保样本命名方式符合步骤 4.1.8 中提到的规则，并且标签与松弛 | 043022.xlsx中的标签一致。 
		注：例如，当前 Microsoft Excel 文件中TA_1_10%的数据代表在 10% 固定延伸率下进行 300 秒应力松弛测试后，1 号气管样本在轴向加载下的原始机械失效数据。</li>
		<li>逐一查看每个工作表标签，并参考步骤 4.1.9，确保每个样本的原始机械失效数据的列标题格式正确。</li>
		<li>关闭当前 Microsoft Excel 文件失效（松弛后）| 043022.xlsx。</li>
		<li>返回数据分析软件的工作目录。</li>
		<li>根据需要，对其他测试日期重复执行步骤 4.1.5–4.1.26。</li>
		<li>打开 Microsoft Excel 文件testingDates.xlsx，该文件将指导代码分析用户指定的测试日期。</li>
		<li>在第一列中以如下格式列出测试日期：mm/dd/yy。</li>
		<li>在第二列中使用Y（表示“是”）或N（表示“否”）标明该测试日期是否存在来自实验组（先进行应力松弛再进行机械失效）的样本。</li>
		<li>在第三列中使用Y（表示“是”）或N（表示“否”）标明该测试日期是否存在来自对照组（直接进行机械失效）的样本。</li>
		<li>根据需要，对其他测试日期重复执行步骤 4.1.29–4.1.31。</li>
		<li>保存并关闭当前 Microsoft Excel 文件testingDates.xlsx。</li>
		<li>返回数据分析软件的工作目录。</li>
		<li>打开主脚本文件main_relax_failure.m。</li>
		<li>点击软件界面上的大绿色箭头运行代码，或在命令窗口中输入run main_calc_relax。</li>
		<li>当系统提示时，输入以逗号分隔的实验组固定延伸率水平（单位：%），然后点击确定。 
		注：在本研究中仅使用了一种应力松弛延伸率，即输入10。无需为对照组包含 0%。但如果数据来自多个延伸率水平（例如 10% 和 20%），则输入10,20。</li>
		<li>当系统提示时，输入以逗号分隔的实验组应力松弛测试持续时间（单位：秒），然后点击确定。 
		注：在本研究中，气管样本在固定延伸率下保持 300 秒，因此输入300。但如果数据来自多个应力松弛持续时间（例如 90 秒和 300 秒），则输入90,300。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>黏弹性应力松弛响应
	<ol>
		<li>使用代码（main_relax_failure.m）将载荷-时间数据（代码第 144 行）通过以下公式转换为名义应力-时间数据19：<img alt="公式 1" src="/files/ftp_upload/64245/64245eq01.jpg" style="margin: auto;" />，其中 σ 表示应力（兆帕 [MPa]），F 表示周向或轴向载荷（牛顿 [N]），A0 表示初始横截面积（平方毫米 [mm2]）。</li>
		<li>使用代码（main_relax_failure.m）确定在 300 秒松弛测试开始时施加 10% 固定延伸率后样本的峰值载荷和应力幅值（代码第 138 和 146 行）。 
		注：这些值此后分别称为初始峰值载荷和初始峰值应力。</li>
		<li>使用代码（main_relax_failure.m）通过以下公式计算 300 秒时应力（或载荷）的百分比下降（代码第 141 和 149 行）：<img alt="公式 2" src="/files/ftp_upload/64245/64245eq02.jpg" style="margin: auto;" />，其中 Rel% 表示松弛百分比，σ(0+) 表示初始峰值应力（或初始峰值载荷），&#160;σ(300) 表示 300 秒松弛后的记录应力（或载荷）水平。</li>
		<li>参考代码（main_relax_failure.m）使用双项 Prony 级数指数衰减模型对黏弹性应力松弛响应进行建模（代码第 152–161 行）。该模型常用于描述多种生物组织的黏弹性行为，包括不同软骨性气道层次（气管、大支气管和小支气管）21,22。 
		注：计算得到的应力值 [σ(t)] 被归一化，以生成以下简化松弛函数：<img alt="公式 3" src="/files/ftp_upload/64245/64245eq03.jpg" style="margin: auto;" /> 且 G(0) = 1。为比较黏弹性应力松弛响应，采用非线性最小二乘回归对 G(t) 进行曲线拟合：<img alt="公式 4" src="/files/ftp_upload/64245/64245eq04.jpg" style="margin: auto;" />，其中 t 为应力松弛保持期间的时间，g 为松弛系数，&#160;τ1 和 τ2 分别表示描述组织短期（初始）和长期（平衡）行为的松弛时间（单位：秒）。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>机械失效响应
	<ol>
		<li>使用代码（main_relax_failure.m）将拉伸试验机记录的载荷-位移数据（代码第 143–144 行）通过下文注释中提到的公式转换为名义应力-应变数据。 
		注：<img alt="公式 8" src="/files/ftp_upload/64245/64245eq01.jpg" style="margin: auto;" />，其中 σ 表示名义应力（MPa），F 表示周向或轴向载荷（N），A0 表示初始横截面积（mm2）；<img alt="公式 5" src="/files/ftp_upload/64245/64245eq05.jpg" style="margin: auto;" />，其中 <img alt="公式 7" src="/files/ftp_upload/64245/64245eq07.jpg" style="margin: auto;" /> 表示结果应变，ΔL 表示位移，L0 表示样本的初始长度。对于在应力松弛保持后进行拉伸失效测试的样本，L0 表示组织的预拉伸长度。例如，样本 3（初始长度为 8 mm）被预拉伸 10%，因此在计算结果应变值时，L0 取为 8.8 mm19。</li>
		<li>使用函数（calc_relax_failure.m）识别最大载荷（即失效载荷）及对应的失效位移，以及最大应力（即失效应力）和对应的失效应变（代码第 33 和 61–63 行）。</li>
		<li>使用函数（calc_relax_failure.m）丢弃失效载荷之后的载荷-位移数据（第 34 行）。</li>
		<li>使用函数（calc_relax_failure.m）绘制载荷-位移曲线，并在提示时手动选择曲线线性区域中的两个点，以估算组织刚度（N/mm）（代码第 37–58 行）。 
		注：由于载荷-位移曲线通过样本的横截面积和初始长度归一化后得到应力-应变曲线，代码利用用户在载荷-位移曲线上选择的 x 和 y 坐标，通过以下公式计算弹性模量（MPa）19：<img alt="公式 6" src="/files/ftp_upload/64245/64245eq06.jpg" style="margin: auto;" />，其中 E 表示弹性模量，x 和 y 表示在载荷-位移曲线上选择的坐标，A0 表示横截面积，L0 表示机械失效开始时样本的长度，Δσ 和 Δ<img alt="公式 8" src="/files/ftp_upload/64245/64245eq07.jpg" style="margin: auto;" /> 分别表示失效响应线性区域内的应力和应变变化量。</li>
		<li>对每个样本重复执行步骤 4.3.4。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>数据输出
	<ol>
		<li>代码成功运行后，确保计算结果以 Microsoft Excel 文件形式保存在数据分析软件的工作目录中，文件命名格式如下：relax_failure_results_mmddyy.xlsx，其中mmddyy将被代码运行日期替换。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>

<ol><li>Brand-Saberi, B. E. M., Schäfer, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Trachea%3A+Anatomy+and+physiology%5BTitle%5D)+AND+%22Thoracic+Surgery+Clinics%22%5BJournal%5D)">Trachea: Anatomy and physiology.</a> Thoracic Surgery Clinics. 24, 1-5 (2014).</li>
<li>Barnett, S. B., Nurmagambetov, T. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Costs+of+asthma+in+the+United+States%3A+2002-2007%5BTitle%5D)+AND+%22The+Journal+of+Allergy+and+Clinical+Immunology%22%5BJournal%5D)">Costs of asthma in the United States: 2002-2007.</a> The Journal of Allergy and Clinical Immunology. 127 (1), 145-152 (2011).</li>
<li>Centers for Disease Control and Prevention. Chronic Obstructive Pulmonary Disease (COPD). Centers for Disease Control and Prevention. , Available from: 
 <a target="_blank" href="https://www.cdc.gov/copd/index.html">https://www.cdc.gov/copd/index.html</a> (2022).</li>
<li>Wilson, L., Devine, E. B., So, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Direct+medical+costs+of+chronic+obstructive+pulmonary+disease%3A+chronic+bronchitis+and+emphysema%29%5BTitle%5D)+AND+%22Respiratory+Medicine%22%5BJournal%5D)">Direct medical costs of chronic obstructive pulmonary disease: chronic bronchitis and emphysema).</a> Respiratory Medicine. 94 (3), 204-213 (2000).</li>
<li>Codd, S. L., Lambert, R. K., Alley, M. R., Pack, R. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Tensile+stiffness+of+ovine+tracheal+wall%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Applied+Physiology%22%5BJournal%5D)">Tensile stiffness of ovine tracheal wall.</a> Journal of Applied Physiology. 76 (6), 2627-2635 (1994).</li>
<li>Noble, P. B., Sharma, A., McFawn, P. K., Mitchell, H. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Elastic+properties+of+the+bronchial+mucosa%3A+epithelial+unfolding+and+stretch+in+response+to+airway+inflation%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Applied+Physiology%22%5BJournal%5D)">Elastic properties of the bronchial mucosa: epithelial unfolding and stretch in response to airway inflation.</a> Journal of Applied Physiology. 99 (6), 2061-2066 (2005).</li>
<li>Teng, Z., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Anisotropic+material+behaviours+of+soft+tissues+in+human+trachea%3A+An+experimental+study%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Biomechanics%22%5BJournal%5D)">Anisotropic material behaviours of soft tissues in human trachea: An experimental study.</a> Journal of Biomechanics. 45 (9), 1717-1723 (2012).</li>
<li>Wang, L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Mechanical+properties+of+the+tracheal+mucosal+membrane+in+the+rabbit.+I.+steady-state+stiffness+as+a+function+of+age%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Applied+Physiology%22%5BJournal%5D)">Mechanical properties of the tracheal mucosal membrane in the rabbit. I. steady-state stiffness as a function of age.</a> Journal of Applied Physiology. 88 (3), 1014-1021 (2000).</li>
<li>Ambrosi, D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Perspectives+on+biological+growth+and+remodeling%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+the+Mechanics+and+Physics+of+Solids%22%5BJournal%5D)">Perspectives on biological growth and remodeling.</a> Journal of the Mechanics and Physics of Solids. 59 (4), 863-883 (2011).</li>
<li>Bai, T. R., Knight, D. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Structural+changes+in+the+airways+in+asthma%3A+Observations+and+consequences%5BTitle%5D)+AND+%22Clinical+Science%22%5BJournal%5D)">Structural changes in the airways in asthma: Observations and consequences.</a> Clinical Science. 108 (6), 463-477 (2005).</li>
<li>Singh, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Extent+of+impaired+axoplasmic+transport+and+neurofilament+compaction+in+traumatically+injured+axon+at+various+strains+and+strain+rates%5BTitle%5D)+AND+%22Brain+Injury%22%5BJournal%5D)">Extent of impaired axoplasmic transport and neurofilament compaction in traumatically injured axon at various strains and strain rates.</a> Brain Injury. 31 (10), 1387-1395 (2017).</li>
<li>Singh, A., Kallakuri, S., Chen, C., Cavanaugh, J. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Structural+and+functional+changes+in+nerve+roots+due+to+tension+at+various+strains+and+strain+rates%3A+An+in-vivo+study%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Neurotrauma%22%5BJournal%5D)">Structural and functional changes in nerve roots due to tension at various strains and strain rates: An in-vivo study.</a> Journal of Neurotrauma. 26 (4), 627-640 (2009).</li>
<li>Singh, A., Lu, Y., Chen, C., Cavanaugh, J. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Mechanical+properties+of+spinal+nerve+roots+subjected+to+tension+at+different+strain+rates%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Biomechanics%22%5BJournal%5D)">Mechanical properties of spinal nerve roots subjected to tension at different strain rates.</a> Journal of Biomechanics. 39 (9), 1669-1676 (2006).</li>
<li>Singh, A., Lu, Y., Chen, C., Kallakuri, S., Cavanaugh, J. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+new+model+of+traumatic+axonal+injury+to+determine+the+effects+of+strain+and+displacement+rates%5BTitle%5D)+AND+%22Stapp+Car+Crash+Journal%22%5BJournal%5D)">A new model of traumatic axonal injury to determine the effects of strain and displacement rates.</a> Stapp Car Crash Journal. 50, 601-623 (2006).</li>
<li>Singh, A., Magee, R., Balasubramanian, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Methods+for+in+vivo+biomechanical+testing+on+brachial+plexus+in+neonatal+piglets%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Visualized+Experiments%22%5BJournal%5D)">Methods for in vivo biomechanical testing on brachial plexus in neonatal piglets.</a> Journal of Visualized Experiments. (154), e59860(2019).</li>
<li>Singh, A., Magee, R., Balasubramanian, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Mechanical+properties+of+cervical+spinal+cord+in+neonatal+piglet%3A+in+vitro%5BTitle%5D)+AND+%22Neurology+and+Neurobiology%22%5BJournal%5D)">Mechanical properties of cervical spinal cord in neonatal piglet: in vitro.</a> Neurology and Neurobiology. 3 (2), (2020).</li>
<li>Singh, A., Magee, R., Balasubramanian, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((An+in+vitro+study+to+investigate+biomechanical+responses+of+peripheral+nerves+in+hypoxic+neonatal+piglets%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Biomechanical+Engineering%22%5BJournal%5D)">An in vitro study to investigate biomechanical responses of peripheral nerves in hypoxic neonatal piglets.</a> Journal of Biomechanical Engineering. 143 (11), 114501(2021).</li>
<li>Singh, A., Shaji, S., Delivoria-Papadopoulos, M., Balasubramanian, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Biomechanical+responses+of+neonatal+brachial+plexus+to+mechanical+stretch%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Brachial+Plexus+and+Peripheral+Nerve+Injury%22%5BJournal%5D)">Biomechanical responses of neonatal brachial plexus to mechanical stretch.</a> Journal of Brachial Plexus and Peripheral Nerve Injury. 13, 8-14 (2018).</li>
<li>Singh, A. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=%22The+effects+of+tensile+loading+on+mechanical%2C+neurophysiological+and+morphological+changes+in+spinal+nerve+roots%22">The effects of tensile loading on mechanical, neurophysiological and morphological changes in spinal nerve roots</a>. , Wayne State University. PhD thesis (2006).</li>
<li>Schneider, C. A., Rasband, W. S., Eliceiri, K. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((NIH+Image+to+ImageJ%3A+25+years+of+image+analysis%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Methods%22%5BJournal%5D)">NIH Image to ImageJ: 25 years of image analysis.</a> Nature Methods. 9 (7), 671-675 (2012).</li>
<li>Eskandari, M., Arvayo, A. L., Levenston, M. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Mechanical+properties+of+the+airway+tree%3A+Heterogeneous+and+anisotropic+pseudoelastic+and+viscoelastic+tissue+responses%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Applied+Physiology%22%5BJournal%5D)">Mechanical properties of the airway tree: Heterogeneous and anisotropic pseudoelastic and viscoelastic tissue responses.</a> Journal of Applied Physiology. 125 (3), 878-888 (2018).</li>
<li>Toby, E. B., Rotramel, J., Jayaraman, G., Struthers, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Changes+in+the+stress+relaxation+properties+of+peripheral+nerves+after+transection%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Hand+Surgery%22%5BJournal%5D)">Changes in the stress relaxation properties of peripheral nerves after transection.</a> Journal of Hand Surgery. 24 (4), 694-699 (1999).</li>
<li>Safshekan, F., Tafazzoli-Shadpour, M., Abdouss, M., Shadmehr, M. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Viscoelastic+properties+of+human+tracheal+tissues%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Biomechanical+Engineering%22%5BJournal%5D)">Viscoelastic properties of human tracheal tissues.</a> Journal of Biomechanical Engineering. 139 (1), (2017).</li>
<li>Singh, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+new+approach+to+teaching+biomechanics+through+active%2C+adaptive%2C+and+experiential+learning%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Biomechanical+Engineering%22%5BJournal%5D)">A new approach to teaching biomechanics through active, adaptive, and experiential learning.</a> Journal of Biomechanical Engineering. 139 (7), 0710011-0710017 (2017).</li>
<li>Singh, A., Ferry, D., Balasubramanian, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Efficacy+of+clinical+simulation+based+training+in+biomedical+engineering+education%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Biomechanical+Engineering%22%5BJournal%5D)">Efficacy of clinical simulation based training in biomedical engineering education.</a> Journal of Biomechanical Engineering. 141 (12), 121011-121017 (2019).</li>
<li>Singh, A., Ferry, D., Mills, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Improving+biomedical+engineering+education+through+continuity+in+adaptive%2C+experiential%2C+and+interdisciplinary+learning+environments%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Biomechanical+Engineering%22%5BJournal%5D)">Improving biomedical engineering education through continuity in adaptive, experiential, and interdisciplinary learning environments.</a> Journal of Biomechanical Engineering. 140 (8), 0810091-0810098 (2018).</li>
<li>Singh, A., Ferry, D., Ramakrishnan, A., Balasubramanian, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Using+virtual+reality+in+biomedical+engineering+education%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Biomechanical+Engineering%22%5BJournal%5D)">Using virtual reality in biomedical engineering education.</a> Journal of Biomechanical Engineering. 142 (11), 111013(2020).</li>
<li>Majmudar, T., Balasubramanian, S., Magee, R., Gonik, B., Singh, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((In-vitro+stress+relaxation+response+of+neonatal+peripheral+nerves%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Biomechanical+Engineering%22%5BJournal%5D)">In-vitro stress relaxation response of neonatal peripheral nerves.</a> Journal of Biomechanical Engineering. 128, 110702(2021).</li>
<li>Orozco, V., Magee, R., Balasubramanian, S., Singh, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+systematic+review+of+the+tensile+biomechanical+properties+of+the+neonatal+brachial+plexus%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Biomechanical+Engineering%22%5BJournal%5D)">A systematic review of the tensile biomechanical properties of the neonatal brachial plexus.</a> Journal of Biomechanical Engineering. 143 (11), 110802(2021).</li>
<li>Singh, A. M. T., Magee, R., Gonik, B., Balasubramanian, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Effects+of+pre-stretch+on+neonatal+peripheral+nerve%3A+An+in-vitro+study%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Brachial+Plexus+and+Peripheral+Nerve+Injury%22%5BJournal%5D)">Effects of pre-stretch on neonatal peripheral nerve: An in-vitro study.</a> Journal of Brachial Plexus and Peripheral Nerve Injury. 17 (1), 1-9 (2022).</li>
<li>Balasubramanian, S., D'Andrea, C., Viraraghavan, G., Cahill, P. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Development+of+a+finite+element+model+of+the+pediatric+thoracic+and+lumbar+spine%2C+ribcage%2C+and+pelvis+with+orthotropic+region-specific+vertebral+growth%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Biomechanical+Engineering%22%5BJournal%5D)">Development of a finite element model of the pediatric thoracic and lumbar spine, ribcage, and pelvis with orthotropic region-specific vertebral growth.</a> Journal of Biomechanical Engineering. 144 (10), 101007(2022).</li>
<li>Hadagali, P., Peters, J. R., Balasubramanian, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Morphing+the+feature-based+multi-blocks+of+normative%2Fhealthy+vertebral+geometries+to+scoliosis+vertebral+geometries%3A+Development+of+personalized+finite+element+models%5BTitle%5D)+AND+%22Computer+Methods+in+Biomechanics+and+Biomedical+Engineering%22%5BJournal%5D)">Morphing the feature-based multi-blocks of normative/healthy vertebral geometries to scoliosis vertebral geometries: Development of personalized finite element models.</a> Computer Methods in Biomechanics and Biomedical Engineering. 21 (4), 297-324 (2018).</li>
<li>Singh, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Available+computational+and+physical+models+to+understand+the+mechanisms+of+neonatal+brachial+plexus+injury+during+shoulder+dystocia%5BTitle%5D)+AND+%22Open+Access+Journal+of+Neurology+and+Neurosurgery%22%5BJournal%5D)">Available computational and physical models to understand the mechanisms of neonatal brachial plexus injury during shoulder dystocia.</a> Open Access Journal of Neurology and Neurosurgery. 9 (4), 555768(2019).</li>
</ol>

作者无任何利益冲突需要披露。

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...

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、数据采集及数据分析过程。

<table><tbody><tr><td>一次性安全手术刀</td><td>Fine Science Tools Inc</td><td>10000-10</td><td></td></tr><tr><td>eXpert 7600</td><td>ADMET Inc.</td><td>N/A</td><td>Norwood, MA</td></tr><tr><td>镊子</td><td>&amp;nbsp;Fine Science Tools Inc</td><td>11006-12 和 11027-12 或 11506-12</td><td></td></tr><tr><td>Gauge Safe</td><td>ADMET Inc.</td><td>N/A</td><td>免费下载</td></tr><tr><td>Image J</td><td>NIH</td><td>N/A</td><td>开源</td></tr><tr><td>编程软件 - MATLAB&amp;nbsp;</td><td>Mathworks</td><td>N/A</td><td>版本 2018A</td></tr><tr><td>剪刀</td><td>&amp;nbsp;Fine Science Tools Inc</td><td>14094-11 或 14060-09</td><td></td></tr><tr><td>无菌磷酸盐缓冲液&amp;nbsp;</td><td>Millipore, Thomas Scientific</td><td>MFCD00131855</td><td></td></tr></tbody></table>

研究气管的应力松弛与失效响应

Investigating Stress-relaxation and Failure Responses in the Trachea

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。

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</st...

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。

气管的生物力学特性直接影响气流，并参与呼吸系统的生物学功能。理解……

本方案提供了研究气管应力松弛反应的详细方法。研究气管的应力松弛反应对于理解肺部力学机制至关重要。首先，在尸体颈部做一条垂直正中切口，从舌骨至胸骨上切迹，暴露甲状软骨、环状软骨和气管。使用10号刀片取下喉部及全长气管。将气管组织与喉部分离，然后用刀片沿一侧全长纵向切开气管管壁。将气管近端切成两条周向条带，宽度约5毫米；远端切成两条纵向条带，宽度约5毫米，条带的最小长度应为25毫米。转到下载的压缩文件夹，解压其内容，然后进入“仅失效”（Failure Only）文件夹。使用 mm/dd/yy 的文件命名格式，将测试样品的数据存储在 Microsoft Excel 文件中。打开“仅失效”文件夹中 2022 年 4 月 30 日测试的样品文件，并识别其中包含的多个工作表标签，这些标签分别保存了在该特定日期发生机械失效的每个样品的原始数据。使用样品类型、样品编号和预拉伸应变水平百分比的文件命名规范对样品进行标记。选择工作表标签 TA_1_0%，确保原始数据的表头列按文本稿件中的描述进行标注，然后关闭当前的 Microsoft Excel 文件，返回数据分析软件的工作目录并进入 relaxation 文件夹。将特定日期测试的实验组样品数据存储在一个 Microsoft Excel 文件中，存储方式如前所述。打开松弛文件夹，查看其中包含的多个工作表标签，这些标签对应着在特定测试日期下实验组中每个样本的原始载荷松弛数据。请暂停并注意，每个样本均在拉伸力学载荷作用下发生了力学失效，这一点由该 Microsoft Excel 文件中包含的工作表标签所示。请确保每个工作表标签所对应的样本原始载荷松弛数据格式正确，然后保存并关闭当前的 Microsoft Excel 文件。返回数据分析软件的工作目录，然后进入“failure post-relaxation”文件夹。确认该文件夹中存在一个与“relaxation”文件夹日期相同的 Microsoft Excel 文件。打开“failure post-relaxation”文件夹中的 Excel 文件，可以看到多个工作表标签，每个标签包含来自“relaxation”文件夹中相同样本的原始力学失效数据。确保原始机械失效数据中每个样本的标题列格式正确。关闭当前的 Microsoft Excel 文件，返回到数据分析软件的工作目录。打开名为 testingDates 的 Microsoft Excel 文件。xlsx 文件，以指导代码分析用户指定的测试日期。在第一列中以 mm/dd/yy 格式列出测试日期。在第二列中，使用 Y 或 N 表示该测试日期的样本是否来自实验组，实验组包括经历应力松弛后发生力学失效的样本。在第三列中，注明是否有来自对照组的样本显示出直接的机械失效。保存并关闭当前的 Microsoft Excel 文件，然后返回到数

investigating-stress-relaxation-and-failure-responses-in-the-trachea

Research

科研

JoVE Journal

Bioengineering

生物工程

调查气管中的应力松弛和失效反应

本视频展示并比较了两种用于研究小鼠闭塞性气道疾病（OAD）发生发展的实验模型，即异位和原位气管移植模型。...

小鼠异位与原位气管移植模型用于研究闭塞性气道疾病的形成

本文介绍了一种在参与者中诱发心理压力的实验方案，该方案使研究人员能够在单个参与者内部或不同组之间测量其对压力的心理、生理及神经内分泌反应。...

诱发心理应激的特里尔社会应激测试方案

转基因小鼠在赋予基因生理功能方面极为有用。因此，总体研究尤其是气道功能研究已显著转向小鼠模型。本文提供了以下实验方案 体外...

体外 利用小鼠进行气管收缩的测量

本文展示了从小鼠气管中分离基底细胞和黏膜下腺导管细胞的实验方案。同时，我们还演示了将干细胞注射至小鼠背部脂肪垫以构建异位组织模型的方法。 体内...

从小鼠气管中分离基底细胞和黏膜下腺导管细胞

本方案详细描述了使用强迫振荡技术（flexiVent；SCIREQ...

使用强制振荡技术评估小鼠呼吸系统力学

组织生物力学对于维持细胞形态和功能以及决定表型具有重要意义。本报告展示了用于表征人体软组织弹性与黏弹性特性的非破坏性力学检测方法，这些方法可直接应用于组织工程基质，以实现工程化材料与天然组织特性的高度匹配。...

利用压痕与拉伸试验对人体软组织进行生物力学表征

肥胖的发病率不断上升，并增加慢性肺部疾病的风险。为了阐明其潜在机制并制定预防策略，需要建立明确的动物模型。本文提供了三种方法（葡萄糖耐量试验、体容积描记法和肺组织固定）用于研究肥胖对小鼠肺部功能的影响。...

腹腔内葡萄糖耐量试验、肺功能测定及肺组织固定以研究肥胖与代谢障碍对肺部结局的影响

喉气管狭窄由病理性瘢痕沉积引起，导致气管气道严重狭窄，目前缺乏有效的药物治疗方法。利用PLLA-PCL（70%左旋聚乳酸和30%聚己内酯）支架作为局部药物递送系统，可研究旨在减少气管内瘢痕增生的潜在疗法。...

用于喉气管狭窄小鼠的生物相容性载药气管支架设计

该方案描述了一种可进行成像的生物反应器，可用于选择性去除大鼠气管的内源性上皮，并在外源细胞接种后使其在管腔表面均匀分布，随后实现长期培养 体外...

成像引导式生物反应器用于生成生物工程化气道组织

获得无菌状态对于气管组织移植至关重要。本文介绍了一种使用低剂量γ射线辐照的灭菌方案，该方法可被器官完全耐受。...

低剂量伽马辐射对脱细胞气管移植物的灭菌处理

快速的心肌和心脏舒张对于正常生理功能至关重要。目前已知机械舒张机制依赖于应变率。本方案概述了实验数据的采集与分析方法，以进一步研究舒张过程的机械调控机制。...

利用完整心脏小梁进行松弛的机械控制

探索猪气管应力松弛与失效反应的实验方法，通过轴向和环向拉伸测试分析粘弹性特性。该方案为肺部力学计算模型提供关键数据支持，助力呼吸系统研究。

研究气管的应力松弛与失效响应

探索更多视频