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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Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology.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
본 프로토콜은 돼지 기관지의 인장 응력 완화 및 고장 특성을 결정한다. 이러한 방법의 결과는 기관의 점탄성 및 실패 임계 값에 대한 이해를 향상시키고 폐 시스템의 계산 모델의 기능을 향상시키는 데 도움이 될 수 있습니다.
기관의 생체 역학적 특성은 공기 흐름에 직접적으로 영향을 미치고 호흡기의 생물학적 기능에 기여합니다. 이러한 특성을 이해하는 것은이 조직의 손상 메커니즘을 이해하는 데 중요합니다. 이 프로토콜은 300 초 동안 0 % 또는 10 % 변형률로 미리 연신 된 돼지 기관의 스트레스 완화 거동을 연구하기위한 실험적 접근법을 설명하고 실패 할 때까지 기계적 인장 하중을 수행합니다. 이 연구는 돼지 기관 생체 역학 테스트의 실험 설계, 데이터 수집, 분석 및 예비 결과에 대한 세부 정보를 제공합니다. 이 프로토콜에 제공된 자세한 단계와 데이터 분석 MATLAB 코드를 사용하여 향후 연구는 생리적, 병리학적 및 외상성 조건에서 생체 역학적 반응을 이해하는 데 중요한 기관 조직의 시간 의존적 점탄성 거동을 조사할 수 있습니다. 또한, 기관의 생체 역학적 거동에 대한 심층적 인 연구는 수술 중에 널리 사용되는 기관내 임플란트와 같은 관련 의료 기기의 설계를 개선하는 데 중요한 도움이 될 것입니다.
폐 질환에서 중요한 역할에도 불구하고, 가장 큰 기도 구조 인 기관지는 점탄성 특성을 자세히 설명하는 제한된 연구를 가지고 있습니다1. 기관지의 시간 의존적이고 점탄성 거동에 대한 심층적 인 이해는기도 특정 물질 특성을 이해하면 미국에서 세 번째로 큰 사망 원인 인 폐 질환에 대한 부상 예방, 진단 및 임상 개입의 과학을 발전시키는 데 도움이 될 수 있기 때문에 폐 역학 연구에 중요합니다 2,3,4.
사용 가능한 조직 특성화 연구는 기관 5,6,7,8의 강성 특성을 보고하였다. 시간 의존적 인 기계적 반응은 조직 리모델링에서의 중요성에도 불구하고 최소한으로 조사되었으며, 병리학 9,10에 의해 변경됩니다. 더욱이, 시간 의존적 반응 데이터의 부족은 또한 현재 일반적인 구성법칙을 사용하는 데 의존하는 폐역학 계산 모델의 예측 능력을 제한한다. 기관지의 생체물리학 연구를 알리기 위해 필요한 물질 특성을 제공할 수 있는 스트레스 완화 연구를 수행함으로써 이러한 격차를 해소할 필요가 있다. 현재 연구는 돼지 기관의 스트레스 완화 행동을 조사하기 위해 테스트 방법, 데이터 수집 및 데이터 분석에 대한 세부 정보를 제공합니다.
설명 된 모든 방법은 Drexel University의 IACUC (Institutional Animal Care and Use Committee)의 승인을 받았습니다. 모든 사체 동물은 미국 펜실베이니아에 위치한 미국 농무부 (USDA) 승인 농장에서 구입했습니다. 수컷 요크셔 돼지 (3 주령)의 시체가 본 연구에 사용되었습니다.
1. 조직 수확
2. 생체 역학 테스트
3. 데이터 수집
4. 데이터 분석
여기서 σ는 응력 (메가 파스칼 [MPa])을 나타내고, F는 원주 또는 축 하중 (뉴턴 [N])을 나타내고, A0은 초기 단면적 (밀리미터 제곱 [mm2])을 나타냅니다.
및 G(0) = 1. 점탄성 응력-완화 반응을 비교하기 위해, G(t)는 다음과 같이 비선형 최소제곱 회귀를 사용하여 곡선 적합이다:
여기서 t는 응력 완화 유지 동안의 시간이고, g는 이완 계수이고,τ1 및τ2는 조직의 단기(초기) 및 장기(평형) 거동을 각각 설명하는 완화 시간(초)을 나타낸다.
여기서 는 공칭 응력(MPa)을 나타내고, A0는 초기 단면적 하중(mm2)
을 나타내고; 여기서
결과적인 변형률을 나타내고,ΔL은 변위를 나타내고, L0는 샘플의 초기 길이를 나타낸다. 응력 완화 홀드 후 고장 인장 시험을 실시한 샘플의 경우, L0은 조직의 사전 연신 길이를 나타낸다. 예를 들어, 샘플 3(초기 길이 8 mm)은 10%까지 미리 연신되었고, 따라서, L0은 생성된 변형률 값19를 계산하기 위해 8.8 mm로 간주되었다.
여기서 E는 탄성계수를 나타내고, x와 y는 하중 변위 곡선에서 선택된 좌표를 나타내며, A0은 단면적을 나타내고, L0는 기계적 고장의 시작에서의 샘플의 길이를 나타내고, Δσ 및 Δ
는 각각 고장 반응의 선형 영역에 걸친 응력 및 변형률의 변화를 나타낸다.도 1은 클램핑 부위 근처의 실패한 조직과 클램프 내 조직의 존재를 보여주며, 인장 시험 동안 미끄러짐이 없음을 확인한다. 도 2는 상부 또는 하부 클램핑 부위를 포함하거나 또는 조직의 길이를 따라, 시험된 샘플들 사이에서 인장 시험 동안 관찰되었던 다양한 고장 부위를 나타낸다. 데이터 분석 결과는 도 3-4 및 표 1-2에 요약되어 있다. 10% 변형률까지 축방향 또는 원주 사전 스트레치에 뒤따르는 기관 샘플에 대한 응력 완화 반응을 도 3에 나타내었다. 초기 피크 하중 및 응력, 300s 홀드에 걸친 응력의 백분율 감소, 및 시간 상수, t1 및 t2, 2-용어 Prony 계열 이완 함수에서 이들 이완 곡선으로부터 계산하였다. 이들 점탄성 파라미터는 표 1에 포함된다. 사전 스트레치 또는 10% 사전 스트레치 없이 축방향 또는 원주 하중 하에서 고장 테스트를 실시한 기관 샘플의 응력-변형 반응을 도 4에 나타내었다. 이들 곡선으로부터, 고장 응력 및 상응하는 실패 변형률뿐만 아니라 탄성 계수가 결정되었고, 표 2에 열거되어 있다.
예비 테스트는 기관 조직의 스트레스 완화 반응을 성공적으로 특성화했습니다. 이러한 초기 실험에서, 10% 사전 스트레치 응력-완화 반응은 초기 피크 응력이 축방향 로딩 방향에서 더 높은 것으로 보고된 반면, 응력의 백분율 감소는 축방향 로딩 방향과 비교했을 때 원주 로딩 방향에서 더 높았다(표 1). 이완 시간(조직의 단기간[초기] 및 장기 [평형] 거동을 기술하는τ1 및τ2 )은 또한 동일한 10% 사전 스트레치 그룹에 대한 원주 로딩 방향과 비교했을 때 축방향 로딩 방향에서 더 높았다. 고장 데이터를 비교했을 때, 고장 응력 및 E 값은 0% 및 10% 사전 스트레치 그룹 모두에서 원주 로딩 방향에서 더 높았던 반면, 축방향 로딩 방향에서 보고된 고장 변형률은 더 높았다(표 2). 이러한 예비 발견은 기관 조직의 스트레스 완화 및 고장 반응을 더욱 특성화하여 축 방향 또는 원주 인장 하중 조건에서 스트레스 완화 반응을 더 잘 이해하기위한 추가 실험을 보증합니다. 이 프로토콜에 설명된 단계는 이 목표를 달성하는 데 도움이 될 수 있습니다.

그림 1: 조직 채취 및 기계 검사 세부 정보. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 2: 오류 사이트 노란색 화살표로 표시된 샘플 실패 사이트입니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 3: 10% 변형률로 미리 늘어난 기관 샘플의 300s 홀드에 걸친 응력 완화 반응. (A) 축방향 또는 (B) 원주 하중(로딩 조건당 n = 1). 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 4: 사전 스트레치 또는 10% 사전 스트레치 없음(로딩 조건당 n = 1)에 이어 축방향 또는 원주 하중 하에서 기관 샘플의 고장 테스트에 대한 응력-변형 반응. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
| 견본 | 프리스트레치 스트레인 | 로딩 방향 | 초기 피크 부하(N) | 초기 피크 응력(MPa) | 스트레스의 % 감소 | τ1 (들) | τ2 (들) | 조정R2 (%) |
| 3 | 10% | 축 | 0.56 | 0.089 | 33.93 | 11.59 | 152.44 | 98.79 |
| 4 | 원주 | 0.26 | 0.057 | 42.31 | 1.58 | 14.86 | 99.08 |
표 1: 300초 동안 응력 완화를 겪기 위해 10% 변형률의 사전 연신을 실시한 기관 샘플에 대한 응력 완화 파라미터 값을 측정하고 계산하였다.
| 견본 | 프리스트레치 스트레인 | 로딩 방향 | 고장 스트레스(MPa) | 고장 스트레인 | 탄성계수(MPa) |
| 3 | 10% | 축 | 0.89 | 0.38 | 2.9 |
| 4 | 원주 | 1.78 | 0.51 | 3.74 | |
| 5 | 0%(실패만 해당) | 축 | 1.02 | 0.86 | 2.3 |
| 6 | 원주 | 2.15 | 0.57 | 6.3 |
표 2: 다양한 실험 그룹에서의 기관 샘플의 실패 반응.
보충 코딩 파일 1 : 기관의 스트레스 완화 행동을 연구하는 사용자 정의 코드. 이 파일을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.
저자는 공개 할 것이 없습니다.
본 프로토콜은 돼지 기관지의 인장 응력 완화 및 고장 특성을 결정한다. 이러한 방법의 결과는 기관의 점탄성 및 실패 임계 값에 대한 이해를 향상시키고 폐 시스템의 계산 모델의 기능을 향상시키는 데 도움이 될 수 있습니다.
이 간행물에보고 된 연구는 Eunice Kennedy Shriver National Institute of Child Health and Human Development of National Institutes of Health의 Award Number R15HD093024 및 National Science Foundation CAREER Award Number 1752513의 지원을 받았습니다.
| 일회용 안전 메스 | Fine Science Tools Inc | 10000-10 | |
| eXpert 7600 | ADMET Inc. | N/A | Norwood, MA |
| 집게 | Fine Science Tools Inc | 11006-12 및 11027-12 또는 11506-12 | |
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| 이미지 J | NIH | N/A | 오픈 소스 |
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| 가위 | Fine Science Tools Inc | 14094-11 또는 14060-09 | |
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