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Research Article
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Erratum Notice
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Retraction Notice
The article Assisted Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology. View Retraction Notice
Le présent protocole détermine les propriétés de relaxation des contraintes de traction et de rupture des trachées porcines. Les résultats de ces méthodes peuvent aider à améliorer la compréhension des seuils viscoélastiques et de défaillance de la trachée et à faire progresser les capacités des modèles informatiques du système pulmonaire.
Les propriétés biomécaniques de la trachée affectent directement le flux d’air et contribuent à la fonction biologique du système respiratoire. Comprendre ces propriétés est essentiel pour comprendre le mécanisme de lésion dans ce tissu. Ce protocole décrit une approche expérimentale pour étudier le comportement de relaxation du stress de la trachée porcine qui ont été pré-étirées à 0% ou 10% de déformation pendant 300 s, suivies d’une charge de traction mécanique jusqu’à la rupture. Cette étude fournit des détails sur la conception expérimentale, l’acquisition de données, les analyses et les résultats préliminaires des tests biomécaniques des trachées porcines. En utilisant les étapes détaillées fournies dans ce protocole et le code MATLAB d’analyse des données, les études futures peuvent étudier le comportement viscoélastique dépendant du temps du tissu trachée, ce qui est essentiel pour comprendre ses réponses biomécaniques dans des conditions physiologiques, pathologiques et traumatiques. En outre, des études approfondies du comportement biomécanique de la trachée contribueront de manière critique à améliorer la conception de dispositifs médicaux connexes tels que les implants endotrachéaux largement utilisés lors des chirurgies.
Malgré son rôle critique dans les maladies pulmonaires, la plus grande structure des voies respiratoires, la trachée, a peu d’études détaillant ses propriétés viscoélastiques1. Une compréhension approfondie du comportement viscoélastique de la trachée, dépendant du temps, est essentielle à la recherche en mécanique pulmonaire, car la compréhension des propriétés matérielles spécifiques des voies respiratoires peut aider à faire progresser la science de la prévention des blessures, du diagnostic et de l’intervention clinique pour les maladies pulmonaires, qui sont la troisième cause de décès aux États-Unis 2,3,4.
Les études de caractérisation tissulaire disponibles ont rapporté les propriétés de rigidité de la trachée 5,6,7,8. Les réponses mécaniques dépendantes du temps ont été peu étudiées malgré leur importance dans le remodelage tissulaire, qui est également modifié par la pathologie 9,10. De plus, le manque de données de réponse dépendantes du temps limite également les capacités prédictives des modèles informatiques de mécanique pulmonaire qui ont actuellement recours à l’utilisation des lois constitutives génériques. Il est nécessaire de combler cette lacune en effectuant des études de relaxation du stress qui peuvent fournir les caractéristiques matérielles requises pour éclairer les études biophysiques de la trachée. La présente étude offre des détails sur les méthodes de test, l’acquisition de données et les analyses de données pour étudier le comportement de relaxation du stress de la trachée porcine.
Toutes les méthodes décrites ont été approuvées par l’Institutional Animal Care and Use Committee (IACUC) de l’Université Drexel. Tous les animaux cadavériques ont été acquis auprès d’une ferme approuvée par le département de l’Agriculture des États-Unis (USDA) située en Pennsylvanie, aux États-Unis. Un cadavre d’un porc mâle du Yorkshire (âgé de 3 semaines) a été utilisé pour la présente étude.
1. Prélèvement de tissus
2. Essais biomécaniques
3. Acquisition des données
4. Analyse des données
, où σ représente la contrainte (méga Pascals [MPa]), F représente la charge circonférentielle ou axiale (Newtons [N]) et A0 représente la section transversale initiale (millimètres carrés [mm2]).
, où Rel% représente le pourcentage de relaxation, σ(0+) représente la contrainte maximale initiale (ou charge de pointe initiale) et σ(300) représente le niveau de contrainte (ou de charge) enregistré après relaxation sur 300 s.
et G(0) = 1. Pour comparer les réponses viscoélastiques contrainte-relaxation, G(t) est ajusté en utilisant la régression non linéaire des moindres carrés comme suit:
, où t est le temps pendant la maintien de la relaxation des contraintes, g est le coefficient de relaxation, τ1 et τ2 et indique les temps de relaxation (en secondes) qui décrivent le comportement à court (initial) et à long terme (équilibre) du tissu, respectivement.
, où σ représente la contrainte nominale (MPa), F représente la charge circonférentielle ou axiale (N) et A 0 représente la section transversale initiale (mm2);
, où
représente la déformation résultante, Δ L représente le déplacement et L0 représente la longueur initiale de l’échantillon. Pour les échantillons soumis à un essai de traction de rupture après maintien de la relaxation des contraintes, L0 représente la longueur préétirée du tissu. Par exemple, l’échantillon 3 (longueur initiale de 8 mm) a été préétiré à 10 % et, par conséquent, L0 a été considéré comme 8,8 mm pour le calcul des valeurs de déformation résultantes19.
: , où E représente le module d’élasticité, x et y représentent les coordonnées sélectionnées sur la courbe charge-déplacement, A 0 représente la section transversale, L0 représente la longueur de l’échantillon au début de la défaillance mécanique et Δσ et Δ
représentent respectivement la variation de la contrainte et de la déformation sur la région linéaire de la réponse à la rupture.La figure 1 montre le tissu défectueux près du site de serrage et la présence de tissu dans la pince, confirmant l’absence de glissement lors des essais de traction. La figure 2 indique divers sites de rupture, y compris les sites de serrage supérieur ou inférieur ou le long du tissu, qui ont été observés lors des essais de traction parmi les échantillons testés. Les résultats de l’analyse des données sont résumés aux figures 3 et 4 et aux tableaux 1 et 2. Les réponses de relaxation du stress pour les échantillons trachéaux après un pré-étirement axial ou circonférentiel jusqu’à une déformation de 10 % sont présentées à la figure 3. La charge et la contrainte maximales initiales, le pourcentage de réduction de la contrainte sur la cale de 300 s et les constantes de temps, t1 et t2, dans une fonction de relaxation en série de Prony à 2 termes ont été calculés à partir de ces courbes de relaxation. Ces paramètres viscoélastiques sont inclus dans le tableau 1. Les réponses contrainte-déformation de l’échantillon trachéal soumis à un essai de défaillance sous des charges axiales ou circonférentielles après absence de préétirement ou de préétirement de 10 % sont présentées à la figure 4. À partir de ces courbes, la contrainte de rupture et la déformation de rupture correspondante, ainsi que le module d’élasticité, ont été déterminés et sont énumérés dans le tableau 2.
Les tests préliminaires ont caractérisé avec succès les réponses stress-relaxation du tissu trachéal. Dans ces expériences initiales, la réponse de relaxation de la contrainte pré-étirement de 10 % indiquait que la contrainte maximale initiale était plus élevée dans les directions de charge axiale, tandis que le pourcentage de réduction de la contrainte était plus élevé dans la direction de charge circonférentielle par rapport à la direction de charge axiale (tableau 1). Les temps de relaxation (τ1 et τ2 qui décrivent le comportement [initial] et à long terme [d’équilibre] du tissu) étaient également plus élevés dans la direction de la charge axiale par rapport à la direction de charge circonférentielle pour le même groupe pré-étirement de 10%. Lors de la comparaison des données de rupture, les valeurs de contrainte de rupture et de E étaient plus élevées dans les directions de charge circonférentielles dans les groupes de pré-étirement de 0 % et de 10 %, tandis que la déformation de rupture signalée dans les directions de charge axiale était plus élevée (tableau 2). Ces résultats préliminaires justifient des expériences supplémentaires pour caractériser davantage les réponses de relaxation de stress et de défaillance dans le tissu trachéal afin de mieux comprendre ses réponses de relaxation de contrainte dans des conditions de charge de traction, à la fois axialement ou circonférentiellement. Les étapes décrites dans ce protocole peuvent aider à atteindre cet objectif.

Figure 1 : Détails du prélèvement de tissus et des tests mécaniques. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 2 : Sites de défaillance. Exemples de sites de défaillance indiqués par des flèches jaunes. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 3 : Réponse à la relaxation du stress sur une cale de 300 s d’échantillons de trachée préétirés à 10 % de déformation. (A) Charge axiale ou (B) circonférentielle (n = 1 par condition de charge). Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 4 : Réponses contrainte-déformation pour l’essai de défaillance d’échantillons de trachée sous charge axiale ou circonférentielle après absence de pré-étirement ou 10 % de pré-étirement (n = 1 par condition de charge). Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
| Échantillon | Contrainte pré-étirement | Orientation du chargement | Charge de pointe initiale (N) | Stress de pointe initial (MPa) | % de réduction du stress | τ1 (s) | τ2 (s) | R2 ajusté (%) |
| 3 | 10% | Axial | 0.56 | 0.089 | 33.93 | 11.59 | 152.44 | 98.79 |
| 4 | Circonférentielle | 0.26 | 0.057 | 42.31 | 1.58 | 14.86 | 99.08 |
Tableau 1: Valeurs mesurées et calculées des paramètres de relaxation du stress pour les échantillons de trachée soumis à un préétirement de 10 % de déformation pour subir une relaxation de contrainte pendant 300 s.
| Échantillon | Contrainte pré-étirement | Orientation du chargement | Contrainte de défaillance (MPa) | Contrainte de défaillance | Module d’élasticité (MPa) |
| 3 | 10% | Axial | 0.89 | 0.38 | 2.9 |
| 4 | Circonférentielle | 1.78 | 0.51 | 3.74 | |
| 5 | 0 % (échec seulement) | Axial | 1.02 | 0.86 | 2.3 |
| 6 | Circonférentielle | 2.15 | 0.57 | 6.3 |
Tableau 2 : Réponses à l’échec des échantillons de trachée dans divers groupes expérimentaux.
Fichier de codage supplémentaire 1: Les codes personnalisés pour étudier le comportement stress-relaxation de la trachée. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce fichier.
Les auteurs n’ont rien à divulguer.
Le présent protocole détermine les propriétés de relaxation des contraintes de traction et de rupture des trachées porcines. Les résultats de ces méthodes peuvent aider à améliorer la compréhension des seuils viscoélastiques et de défaillance de la trachée et à faire progresser les capacités des modèles informatiques du système pulmonaire.
La recherche rapportée dans cette publication a été soutenue par l’Institut national Eunice Kennedy Shriver de la santé infantile et du développement humain des National Institutes of Health sous le numéro d’attribution R15HD093024 et le prix CAREER de la National Science Foundation numéro 1752513.
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| de l’image J | NIH | N/A | Logiciel de|
| proramming open source - MATLAB  ; | Mathworks | N/A | version 2018A |
| Ciseaux |   ; Fine Science Tools Inc | 14094-11 ou 14060-09 | |
| Solution tampon de phosphate stérile  ; | Millipore, Thomas Scientific | MFCD00131855 |