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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Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology.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
Il presente protocollo determina le proprietà di rilassamento dello stress di trazione e di rottura delle trachee suine. I risultati di tali metodi possono aiutare a migliorare la comprensione delle soglie viscoelastiche e di rottura della trachea e contribuire a far progredire le capacità dei modelli computazionali del sistema polmonare.
Le proprietà biomeccaniche della trachea influenzano direttamente il flusso d'aria e contribuiscono alla funzione biologica dell'apparato respiratorio. Comprendere queste proprietà è fondamentale per comprendere il meccanismo di lesione in questo tessuto. Questo protocollo descrive un approccio sperimentale per studiare il comportamento stress-rilassamento della trachea suina che è stata pre-allungata allo 0% o al 10% di deformazione per 300 s, seguita da carico di trazione meccanica fino al cedimento. Questo studio fornisce dettagli sul disegno sperimentale, l'acquisizione dei dati, le analisi e i risultati preliminari dei test biomeccanici delle trachee suine. Utilizzando i passaggi dettagliati forniti in questo protocollo e il codice MATLAB di analisi dei dati, studi futuri possono indagare il comportamento viscoelastico dipendente dal tempo del tessuto tracheale, che è fondamentale per comprendere le sue risposte biomeccaniche durante condizioni fisiologiche, patologiche e traumatiche. Inoltre, studi approfonditi sul comportamento biomeccanico della trachea aiuteranno in modo critico a migliorare la progettazione di dispositivi medici correlati come gli impianti endotracheali che sono ampiamente utilizzati durante gli interventi chirurgici.
Nonostante il suo ruolo critico nelle malattie polmonari, la più grande struttura delle vie aeree, la trachea, ha studi limitati che dettagliano le sue proprietà viscoelastiche1. Una comprensione approfondita del comportamento viscoelastico dipendente dal tempo della trachea è fondamentale per la ricerca sulla meccanica polmonare poiché la comprensione delle proprietà del materiale specifiche delle vie aeree può aiutare a far progredire la scienza della prevenzione delle lesioni, della diagnosi e dell'intervento clinico per le malattie polmonari, che sono la terza causa di morte negli Stati Uniti 2,3,4.
Studi di caratterizzazione tissutale disponibili hanno riportato le proprietà di rigidità della trachea 5,6,7,8. Le risposte meccaniche dipendenti dal tempo sono state minimamente studiate nonostante la loro importanza nel rimodellamento tissutale, che è anche alterato dalla patologia 9,10. Inoltre, la mancanza di dati di risposta dipendenti dal tempo limita anche le capacità predittive dei modelli computazionali di meccanica polmonare che attualmente ricorrono all'utilizzo delle leggi costitutive generiche. È necessario colmare questa lacuna eseguendo studi di rilassamento dello stress che possano fornire le caratteristiche materiali richieste per informare gli studi biofisici della trachea. L'attuale studio offre dettagli sui metodi di test, l'acquisizione dei dati e le analisi dei dati per studiare il comportamento di rilassamento dello stress della trachea suina.
Tutti i metodi descritti sono stati approvati dall'Institutional Animal Care and Use Committee (IACUC) presso la Drexel University. Tutti gli animali cadaverici sono stati acquistati da una fattoria approvata dal Dipartimento dell'Agricoltura degli Stati Uniti (USDA) situata in Pennsylvania, negli Stati Uniti. Per il presente studio è stato utilizzato un cadavere di un maiale maschio dello Yorkshire (3 settimane).
1. Raccolta dei tessuti
2. Prove biomeccaniche
3. Acquisizione dei dati
4. Analisi dei dati
, dove σ rappresenta lo stress (mega Pascal [MPa]), F rappresenta il carico circonferenziale o assiale (Newtons [N]) e A0 rappresenta l'area della sezione trasversale iniziale (millimetri quadrati [mm2]).
, dove Rel% rappresenta la percentuale di rilassamento, σ(0+) rappresenta lo stress di picco iniziale (o carico di picco iniziale) e σ(300) rappresenta il livello di sollecitazione (o carico) registrato dopo rilassamento oltre 300 s.
e G(0) = 1. Per confrontare le risposte viscoelastiche di rilassamento dello stress, G(t) è adattato alla curva usando la regressione non lineare dei minimi quadrati come segue:
, dove t è il tempo durante il mantenimento del rilassamento dello stress, g è il coefficiente di rilassamento, τ1 e τ 2 e indicano i tempi di rilassamento (in secondi) che descrivono rispettivamente il comportamento a breve (iniziale) e a lungo termine (equilibrio) del tessuto.
, dove σ rappresenta la sollecitazione nominale (MPa), F rappresenta il carico circonferenziale o assiale (N) e A 0 rappresenta l'area della sezione trasversale iniziale (mm2);
, dove
rappresenta la deformazione risultante, Δ L rappresenta lo spostamento eL 0 rappresenta la lunghezza iniziale del campione. Per i campioni sottoposti a prova di trazione in caso di rottura a seguito di mantenimento dello stress rilassamento, L0 rappresenta la lunghezza prestirata del tessuto. Ad esempio, il campione 3 (lunghezza iniziale di 8 mm) è stato pre-allungato al 10% e, pertanto, L0 è stato considerato 8,8 mm per il calcolo dei valori di deformazione risultanti19.
, dove E rappresenta il modulo di elasticità, x e y rappresentano le coordinate selezionate sulla curva carico-spostamento, A 0 rappresenta l'area della sezione trasversale, L0 rappresenta la lunghezza del campione all'inizio del guasto meccanico e Δσ e Δ
rappresentano rispettivamente la variazione di sollecitazione e deformazione sulla regione lineare della risposta al guasto.La figura 1 mostra il tessuto guasto vicino al sito di serraggio e la presenza di tessuto all'interno del morsetto, confermando l'assenza di scivolamento durante le prove di trazione. La figura 2 indica vari siti di cedimento, compresi i siti di serraggio superiore o inferiore o lungo la lunghezza del tessuto, che sono stati osservati durante le prove di trazione tra i campioni testati. I risultati dell'analisi dei dati sono riassunti nelle figure 3-4 e nelle tabelle 1-2. Le risposte di rilassamento da sforzo per i campioni tracheali dopo prestiramento assiale o circonferenziale a deformazione al 10% sono mostrate nella Figura 3. Il carico di picco iniziale e lo stress, la riduzione percentuale dello stress oltre la tenuta di 300 s e le costanti di tempo, t1 e t2, in una funzione di rilassamento della serie Prony a 2 termini sono stati calcolati da queste curve di rilassamento. Questi parametri viscoelastici sono inclusi nella tabella 1. Le risposte sforzo-deformazione del campione tracheale sottoposto a prova di guasto sotto carichi assiali o circonferenziali senza pre-stiramento o pre-stiramento al 10% sono mostrate nella Figura 4. Da queste curve sono state determinate le sollecitazioni di rottura e la corrispondente deformazione di cedimento, nonché il modulo di elasticità, elencate nella tabella 2.
I test preliminari hanno caratterizzato con successo le risposte di rilassamento dello stress del tessuto tracheale. In questi esperimenti iniziali, la risposta di rilassamento dello stress pre-stiramento del 10% ha riportato che lo stress di picco iniziale era più elevato nelle direzioni di carico assiale, mentre la riduzione percentuale dello stress era più alta nella direzione di carico circonferenziale rispetto alla direzione di carico assiale (Tabella 1). I tempi di rilassamento (τ1 e τ2 che descrivono il comportamento a breve [iniziale] e lungo termine [equilibrio] del tessuto) erano anche più alti nella direzione di carico assiale rispetto alla direzione di carico circonferenziale per lo stesso gruppo pre-allungamento del 10%. Quando si confrontano i dati di guasto, la sollecitazione di rottura e i valori di E erano più elevati nelle direzioni di carico circonferenziali sia nei gruppi di pre-stiramento 0% che 10%, mentre la deformazione di rottura riportata nelle direzioni di carico assiale era più elevata (Tabella 2). Questi risultati preliminari giustificano ulteriori esperimenti per caratterizzare ulteriormente le risposte di rilassamento e fallimento dello stress nel tessuto tracheale per comprendere meglio le sue risposte di rilassamento dello stress in condizioni di carico di trazione, sia assialmente che circonferenzialmente. I passaggi descritti in questo protocollo possono aiutare a raggiungere questo obiettivo.

Figura 1: Dettagli sulla raccolta dei tessuti e sui test meccanici. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

Figura 2: Siti di errore. Esempi di siti di errore come indicato dalle frecce gialle. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

Figura 3: Risposta al rilassamento da stress su una tenuta di 300 s di campioni di trachea prestirati al 10% di sforzo. (A) Carico assiale o (B) circonferenziale (n = 1 per condizione di carico). Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

Figura 4: Risposte sforzo-deformazione per prove di guasto di campioni di trachea sotto carico assiale o circonferenziale senza pre-stiramento o pre-stiramento del 10% (n = 1 per condizione di carico). Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.
| Campione | Sforzo pre-stiramento | Orientamento di carico | Carico di picco iniziale (N) | Stress di picco iniziale (MPa) | % di riduzione dello stress | T.1 (s) | Τ2 (s) | R2 rettificato (%) |
| 3 | 10% | Assiale | 0.56 | 0.089 | 33.93 | 11.59 | 152.44 | 98.79 |
| 4 | Circonferenziale | 0.26 | 0.057 | 42.31 | 1.58 | 14.86 | 99.08 |
Tabella 1: Valori misurati e calcolati dei parametri di rilassamento da sforzo per campioni di trachea sottoposti a uno sforzo preliminare del 10% per essere sottoposti a rilassamento da sforzo per 300 s.
| Campione | Sforzo pre-stiramento | Orientamento di carico | Stress da guasto (MPa) | Tensione di rottura | Modulo di elasticità (MPa) |
| 3 | 10% | Assiale | 0.89 | 0.38 | 2.9 |
| 4 | Circonferenziale | 1.78 | 0.51 | 3.74 | |
| 5 | 0% (solo errore) | Assiale | 1.02 | 0.86 | 2.3 |
| 6 | Circonferenziale | 2.15 | 0.57 | 6.3 |
Tabella 2: Risposte al fallimento di campioni di trachea in vari gruppi sperimentali.
Supplementary Coding File 1: I codici personalizzati per studiare il comportamento stress-rilassamento della trachea. Clicca qui per scaricare questo file.
Gli autori non hanno nulla da rivelare.
Il presente protocollo determina le proprietà di rilassamento dello stress di trazione e di rottura delle trachee suine. I risultati di tali metodi possono aiutare a migliorare la comprensione delle soglie viscoelastiche e di rottura della trachea e contribuire a far progredire le capacità dei modelli computazionali del sistema polmonare.
La ricerca riportata in questa pubblicazione è stata sostenuta dall'Eunice Kennedy Shriver National Institute of Child Health and Human Development del National Institutes of Health con il numero di premio R15HD093024 e il National Science Foundation CAREER Award Number 1752513.
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