Met behulp van Digital Image Correlation Local Spanningen op vaatweefsel Monsters karakteriseren
24 januari 2016
We beschrijven het gebruik van digitale beeldcorrelatie om het lokale oppervlaktespanningsveld op vasculaire weefselmonsters te karakteriseren die zijn onderworpen aan uniaxiale trektesten. Deze metingen vergemakkelijken een nauwkeurige kwantificering van het mechanische antwoord van het monster en de generatie van constitutieve spanning-deformatierelaties.
Het algemene doel van dit protocol is om het lokale oppervlaktespanningsveld op vaatweefselmonsters te karakteriseren. Dit wordt bereikt met behulp van een digitale beeldcorrelatietechniek met eenaxisale trektest. Deze methode kan helpen bij het beantwoorden van sleutelvraagstukken op het gebied van zachte weefselmechanica en biedt specifiek informatie om steeds geavanceerdere computationele en wiskundige modellen van vaatweefsel te identificeren en ongeldig te maken.
Het belangrijkste voordeel van deze techniek is dat deze een nauwkeurige kwantificering mogelijk maakt van de heterogeniteit van het spanningsveld op het monsteroppervlak, wat een functie is van intrinsieke materiaaleigenschappen, symboolgeometrie en toegepaste testmodaliteit. Zodra het weefsel in het laboratorium aankomt, isoleer dan de abdominale aorta van omliggend weefsel met behulp van chirurgische schaar en forceps. Was vervolgens het vat drie keer met een spuit gevuld met PBS.
Na de wasbeurten, gebruik schaar en forceps om zoveel mogelijk perivascular weefsel te verwijderen, zonder de integriteit van het monster in gevaar te brengen. Vervolgens, plaats een scherp scheermes op het middelste gedeelte van het vat, loodrecht op de longitudinale as van het vat en snijd het vat drie keer om twee ringvormige monsters te maken. Plaats vervolgens een mes op een van de ringen om een radiale snede te maken.
Snijd stevig door de ring om een stripvormig monster voor eenaxisale mechanische test te maken. Doe dit voor beide ringen. Bewaar tijdelijk de twee monsters in een 100 mm glazen petrischaal ondergedompeld in PBS.
Om het monsteroppervlak te specklen, heb een spuitbus klaar om weefselmarkeringsverf te spuiten. Verbind de spuitbus met een drukklep ingesteld op 100 psi. Voeg vervolgens de weefselmarkeringsverf toe.
De monddiameter moet worden gekalibreerd voor specklediameters tussen 60 en 100 micron. Spuit vervolgens weefselmarkeringsverf gedurende ongeveer vijf seconden op het intimaal oppervlak van het monster. Doe dit drie keer om ervoor te zorgen dat het specklepatroon gelijkmatig het monsteroppervlak bedekt.
Om te beginnen, monteer het monster op het testapparaat. Bevestig eerst elk uiteinde van het monster aan een plastic strip met behulp van een weefselkleefstof. Plaats plastic zowel aan de boven- als onderkant van het monster met de kleefstof, waardoor een sandwich ontstaat.
Plaats het monster plat op een snijplank voor weefsel en meet vervolgens de afmetingen met behulp van een digitale schuifmaat. Activeer vervolgens de systeembediening voor het testapparaat. Selecteer golfvorm op de taakbalk op het opstarttabblad.
Stel vervolgens de positie van de bovenste greep van de mechanische tester in op min vier mm om een extensie van 4 mm ten opzichte van de aangegeven beginpositie in het systeem te bieden. Bevestig nu voorzichtig een plastic strip in de bovenste greep van de mechanische tester en laat het monster vrij hangen. Pas vervolgens de positie van de onderste greep aan zodat het vrije uiteinde van het monster zonder extensie kan worden bevestigd.
Bevestig vervolgens voorzichtig de plastic strip die aan het vrije uiteinde is bevestigd, in de onderste greep van de tester. Met het monster gemonteerd, nul de systeembelastingscel. Meet vervolgens de lengte van het monster en gebruik dit als de referentielengte bij het berekenen van globale cirkelvormige spanningen.
Nu, in de softwarebediening, voer het mechanische testprotocol in. Hier worden vier eenaxisale verplaatsingscycli toegepast. Elke cyclus verlengt de monsterlengte met 18 procent bij een verplaatsingssnelheid van 0,01 mm per seconde.
Om de test te documenteren, neem elke paar seconden een foto. Plaats een camera 1,5 m van de laadframe, loodrecht op het monster en focus hem op het monster. In de beeldopnamesoftware, selecteer in de optie select systeem"select PGR2 en stel de projectpad in om de te analyseren afbeeldingen op te slaan.
Klik op het tijdvierkantpictogram en specificeer het acquisitie-interval als 5 seconden. Importeer nu de verkregen afbeelding. Zoom in op een individueel speckle en tel vervolgens het aantal pixels binnen dit individuele speckle.
Na het verifiëren van de kwaliteit van het specklepatroon, klik tegelijkertijd op de knop"run" in het systeem en de knop"start" in de beeldopnamesoftware om de test te starten. Tijdens het hele protocol, spuit u periodiek PBS op het monster zodat het niet uitdroogt. Doe dit echter wanneer het zich in de ongeladen toestand bevindt, niet tijdens de gegevensverzameling.
Na het openen van de beeldanalysesoftware, klikt u op de speckle afbeeldingen"tab en selecteert u alle afbeeldingen die moeten worden geanalyseerd. Klik vervolgens op het rechthoekgereedschap en selecteer het gebied van belang in de eerste afbeelding. Voer vervolgens een subsetgrootte van 31 bij 31 pixels in en een stappengrootte van vijf pixels.
Klik nu op de start analyse"tab in de software en stel de interpolatie in op een geoptimaliseerde 8 trap. Stel ook het criterium in als nul genormaliseerde vierkantverschillen en de subsetgewichten optie als Gaucian. Controleer de drempelwaardeopties.
Ze moeten op de standaardwaarde staan. Klik vervolgens op de post verwerking sub tab onder de start analyse tab. Selecteer de optie, string computation"en laat de filtergrootte en type filter als standaard.
Stel het tensortype in op Lagrange. Selecteer ten slotte het gegevens tab en selecteer vervolgens een geanalyseerde afbeelding om het oppervlaktespanningsveld te visualiseren. 2D DIC in combinatie met eenaxisale mechanische test, werd gebruikt om het oppervlaktespanningsveld van een vaatweefselmonster te meten, in verschillende vervormde toestanden.
De visco-elastische aard van het weefsel was merkbaar aan de mate van hysterese in de lage verplaatsingscurven vóór de mechanische voorbehandeling. Met voorbehandeling werd de hysterese echter geleidelijk verminderd. Zoals verwacht, namen de lokale cirkelvormige spanningswaarden toe met toegepaste monsterverplaatsing.
De cirkelvormige spanning was over het algemeen minder nabij het centrum van het monster in vergelijking met nabij de greepinterface van het monster. In de longitudinale richting nam de resulterende, niet-uniforme comprimerende spanning op het in
Bekijk het volledige transcript en krijg toegang tot duizenden wetenschappelijke video's
Overzicht
Deze studie beschrijft het gebruik van digitale beeldcorrelatie om het lokale oppervlaktespanningsveld op vaatweefselmonsters te karakteriseren die zijn onderworpen aan uniaxiale trektests. Deze methode maakt een nauwkeurige kwantificering mogelijk van het mechanische antwoord van de monsters en helpt bij het genereren van constitutieve spanning-deformatierelaties.
Belangrijke studiecomponenten
Wetenschapsgebied
- Mechaniek van zacht weefsel
- Biomechaniek
- Analyse van vaatweefsel
Achtergrond
- Het begrijpen van de mechanische eigenschappen van vaatweefsels is cruciaal voor verschillende biomedische toepassingen.
- Digitale beeldcorrelatie is een contactloze optische methode die wordt gebruikt om vervorming te meten.
- Uniaxiale trektesten bieden inzichten in het mechanische gedrag van materialen.
- Het karakteriseren van spanningsvelden kan helpen bij het valideren van computationele modellen van vaatweefsels.
Doel van het onderzoek
- Om het lokale oppervlaktespanningsveld op vaatweefselmonsters te karakteriseren.
- Om het begrip van de mechanica van zacht weefsel te verbeteren.
- Om gegevens te leveren voor het valideren van computationele modellen van vaatweefsel.
Gebruikte methoden
- Digitale beeldcorrelatietechniek.
- Uniaxiale trektesten van vaatweefselmonsters.
- Isoleren van de abdominale aorta van omliggend weefsel.
- Het vat wassen met PBS ter voorbereiding op de test.
Belangrijkste resultaten
- Precieze kwantificering van heterogeniteit in het spanningsveld op het monsteroppervlak.
- Identificatie van inherente materiaaleigenschappen die het spanningsrespons beïnvloeden.
- Inzichten in de impact van de geometrie en testmodaliteit op spanningsmetingen.
- Gegevens die de ontwikkeling van constitutieve spanning-deformatierelaties ondersteunen.
Conclusies
- De digitale beeldcorrelatietechniek is effectief voor het analyseren van de mechanica van vaatweefsel.
- Deze methode levert cruciale gegevens voor het verbeteren van computationele modellen.
- Het begrijpen van spanningsvelden kan leiden tot betere inzichten in weefselgedrag onder spanning.
Veelgestelde vragen
Executive Industry Relevance
Accurate characterization of local strain heterogeneity in vascular tissue is critical for de-risking computational models used in cardiovascular device design and preclinical safety assessment. This method enables precise quantification of mechanical behavior under physiologically relevant loading, supporting target validation in vascular pathophysiology research. By improving predictive confidence in tissue response models, it informs early go/no-go decisions in therapeutic and biomaterial development pipelines.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of therapeutic hypotheses by quantifying local strain fields that reflect inherent material properties and pathological alterations in vascular tissue.
- Operational Value: Provides reproducible, full-field strain measurements that reduce reliance on averaged global metrics prone to error from sample heterogeneity.
- Predictive Value: Supports mechanistic de-risking by delivering high-resolution data to validate or invalidate computational models of vascular mechanics.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Generates quantitative, spatially resolved strain outputs suitable for establishing standardized biomechanical assays in vascular tissue screening.
- Operational Value: Enables assay readiness through speckle patterning and image capture protocols that ensure consistent, high-fidelity data acquisition across samples.
- Scalability: Supports platform reuse for evaluating engineered tissues, hydrogels, or polymeric biomaterials under uniaxial loading conditions.
Translational & Preclinical Research
- Translational Continuity: Bridges discovery-phase mechanical characterization with preclinical validation by supplying constitutive data for computational models used in device-tissue interaction studies.
- Risk-Adjusted Advancement: Quantifies strain field heterogeneity to inform safety margins and performance thresholds in vascular implant or graft development.
- Biomarker Alignment: Facilitates correlation of local strain patterns with structural or functional changes in disease-relevant vascular systems.
Pipeline & Workflow Integration
The method integrates into the discovery continuum by providing localized mechanical readouts that inform hypothesis testing, assay standardization, and data-driven model validation prior to lead identification and preclinical evaluation.
- Discovery Biology: Supports pathway clarification and biological de-risking by revealing how geometric and material factors influence local strain distribution in vascular tissue.
- Screening: Delivers assay-ready, quantitative strain maps that enable reliable comparison of tissue responses across experimental conditions.
- Analytics: Generates coefficient of variation and full-field strain tensors that allow teams to quantify heterogeneity and compare mechanical phenotypes.
- Translational Research: Connects to preclinical workflows by supplying strain-derived inputs for finite element models used in implant performance prediction.
- Enterprise Reuse: Establishes a reusable biomechanical capability applicable to native, engineered, and polymeric soft tissues across multiple projects.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence in tissue behavior models by capturing local strain heterogeneity missed by conventional averaging approaches.
- Operational Value: Enhances reproducibility and standardization through calibrated speckle application, controlled image acquisition, and defined analysis parameters.
- Strategic Value: Reduces late-stage biological risk by improving early validation of computational models used in vascular therapeutic and device development.
- Portfolio Impact: Enables risk-based prioritization of vascular targets or biomaterials through objective, high-resolution mechanical phenotyping.
Implementation Considerations
- Requires expertise in biomechanical testing, image acquisition, and digital image correlation software for accurate strain quantification.
- Dependent on high-resolution camera systems, mechanical testers with precise displacement control, and tissue adhesive compatible with vascular samples.
- Necessitates cross-team standardization of speckle pattern quality, region of interest selection, and subset/step size parameters for reproducible results.
- Involves adaptation considerations when applying to varying tissue thicknesses, geometries, or material stiffnesses beyond vascular strips.
- Limited by surface accessibility and speckle adhesion quality, which may affect signal fidelity on highly elastic or delicate soft tissues.
