Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.

Artykuł metodologiczny

Badanie relaksacji stresu i reakcji na niepowodzenia w tchawicy

1.8K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/64245

⸱

18 października 2022

 ,  ,  ,  , 
1Department of Biomedical Engineering, Widener University, 2Drexel University College of Medicine, 3School of Biomedical Engineering, Science and Health Systems, Drexel University, 4Rosetree Media School District

W tym artykule

Podsumowanie

Obecny protokół określa właściwości tchawicy świńskiej w zakresie relaksacji naprężeń rozciągających i uszkodzeń. Wyniki uzyskane dzięki takim metodom mogą pomóc w lepszym zrozumieniu progów lepkosprężystości i uszkodzenia tchawicy oraz przyczynić się do zwiększenia możliwości modeli obliczeniowych układu oddechowego.

Streszczenie

Biomechaniczne właściwości tchawicy bezpośrednio wpływają na przepływ powietrza i przyczyniają się do biologicznej funkcji układu oddechowego. Zrozumienie tych właściwości ma kluczowe znaczenie dla zrozumienia mechanizmu uszkodzenia w tej tkance. Protokół ten opisuje eksperymentalne podejście do badania zachowania stresowo-relaksacyjnego tchawicy świń, która została wstępnie rozciągnięta do 0% lub 10% odkształcenia przez 300 s, a następnie mechaniczne obciążenie rozciągające aż do uszkodzenia. Badanie to zawiera szczegółowe informacje na temat projektu eksperymentalnego, pozyskiwania danych, analiz i wstępnych wyników badań biomechanicznych tchawicy świń. Korzystając ze szczegółowych kroków zawartych w tym protokole i kodu MATLAB do analizy danych, przyszłe badania mogą zbadać zależne od czasu lepkosprężyste zachowanie tkanki tchawicy, co ma kluczowe znaczenie dla zrozumienia jej reakcji biomechanicznych w stanach fizjologicznych, patologicznych i traumatycznych. Co więcej, dogłębne badania biomechanicznego zachowania tchawicy będą miały kluczowe znaczenie dla poprawy projektowania powiązanych urządzeń medycznych, takich jak implanty dotchawicze, które są szeroko stosowane podczas operacji.

Wprowadzenie

Pomimo swojej kluczowej roli w chorobach płuc, największa struktura dróg oddechowych, tchawica, ma ograniczoną liczbę badań szczegółowo opisujących jej właściwości lepkosprężyste1. Dogłębne zrozumienie zależnego od czasu, lepkosprężystego zachowania tchawicy ma kluczowe znaczenie dla badań nad mechaniką płuc, ponieważ zrozumienie właściwości materiałów specyficznych dla dróg oddechowych może pomóc w postępie w nauce o zapobieganiu urazom, diagnostyce i interwencji klinicznej w chorobach płuc, które są trzecią najczęstszą przyczyną zgonów w Stanach Zjednoczonych2,3,4.

Dostępne badania charakterystyki tkanek wykazały właściwości sztywności tchawicy 5,6,7,8. Zależne od czasu reakcje mechaniczne zostały minimalnie zbadane, pomimo ich znaczenia w przebudowie tkanek, która jest również zmieniana przez patologię9,10. Co więcej, brak danych dotyczących odpowiedzi zależnych od czasu ogranicza również możliwości predykcyjne modeli obliczeniowych mechaniki płuc, które obecnie uciekają się do korzystania z ogólnych praw konstytutywnych. Istnieje potrzeba wypełnienia tej luki poprzez przeprowadzenie badań relaksacji stresu, które mogą dostarczyć wymaganych cech materiału do informowania o badaniach biofizycznych tchawicy. Obecne badanie zawiera szczegółowe informacje na temat metod testowania, pozyskiwania i analizy danych w celu zbadania zachowania tchawicy świńskiej w zakresie relaksacji stresu.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

Wszystkie opisane metody zostały zatwierdzone przez Instytucjonalny Komitet ds. Opieki i Wykorzystania Zwierząt (IACUC) na Uniwersytecie Drexel. Wszystkie zwłoki zwierząt pozyskano z farmy zatwierdzonej przez Departament Rolnictwa Stanów Zjednoczonych (USDA), znajdującej się w Pensylwanii, USA. W niniejszym badaniu wykorzystano zwłoki samca świni rasy Yorkshire (w wieku 3 tygodni).

1. Pobieranie tkanek

  1. Należy pozyskać truchło świni z zatwierdzonej fermy i przeprowadzić eksperymenty w ciągu 2 h od eutanazji. Truchło należy przechowywać w lodzie do czasu zakończenia pobierania tkanek, aby zapewnić zachowanie biomechanicznych właściwości świeżej tkanki.
    UWAGA: W literaturze przedmiotu badania świeżej tkanki zwierzęcej są zazwyczaj przeprowadzane w ciągu 2 h po eutanazji. Szczegóły znajdują się w literaturze.11,12,13,14,15,16,17,18,19.
  2. Ułóż zwłoki w pozycji rzeczywistej na plecach, wykonaj pionowe nacięcie w linii środkowej szyi i odsłoń chrząstkę tarczową, chrząstkę pierścieniowatą oraz tchawicę, od kości hyoidalnej do wcięcia nadmostkowego.
  3. Wypreparuj krtań i całą tchawicę, używając skalpela z ostrzem nr 10 (Rysunek 1A).
  4. Oddziel próbkę tchawicy od krtani, a następnie rozetnij rurkę tchawicy wzdłużnie na całej długości po jednej stronie, używając ostrza nr 10 (Rysunek 1B).
  5. Zmierz grubość tchawicy, korzystając z pozyskanego obrazu przekroju poprzecznego (uzyskanego za pomocą programu ImageJ)20patrz Tabela materiałów) (Rycina 1C). Podczas analizy danych należy wykorzystać zmierzoną grubość tkanki do obliczenia pola powierzchni przekroju poprzecznego.
  6. Przetnij tchawicę na dwa paski okrężne o szerokości około 5 mm (proksymalnie) oraz dwa paski wzdłużne o szerokości około 5 mm (dystalnie), przy czym minimalna długość tych pasków powinna wynosić 25 mm (Rysunek 1D).
  7. Należy wykonać zdjęcia czterech próbek (tj. wyciętych pasków tchawicy) obok linijki. Następnie, na podstawie tych zdjęć, należy dokonać cyfrowych pomiarów szerokości próbek przy użyciu programu Image J (Rysunek 1E). Następnie, podczas analizy danych, wykorzystaj zmierzoną szerokość do obliczenia pola przekroju próbki.
  8. Należy zapewnić, aby wszystkie próbki tkanek pozostawały nawilżone za pomocą sterylnego roztworu soli fizjologicznej z buforem fosforanowym (PBS) przez cały czas trwania badania. Próbki należy przechowywać w gazie nasączonej PBS do momentu rozpoczęcia testów. Bezpośrednio przed badaniem tkankę należy zanurzyć w PBS, aby zapewnić jej prawidłowe nawilżenie.

2. Badania biomechaniczne

  1. Przymocuj każdą próbkę do specjalnie zaprojektowanego zacisku (patrz poprzednie raporty11,12,13,14,15,16,17,18,19) w taki sposób, aby próbka była trzymana wzdłużnie pomiędzy zaciskami (Rysunek 1F).
  2. Ostrożnie zamocuj zaciski (bez wywoływania rozciągania) do maszyny do badań materiałowych (patrz Tabela materiałów), która posiada ogniwo obciążnika 50 N przymocowane do górnego siłownika (Rysunek 1G).
  3. Zmierz odległość między uchwytami (tj. zaciskami) za pomocą linijki. Przyjmij tę odległość jako początkową długość tkanki do obliczeń odkształcenia.
  4. Przeprowadź prekondycjonowanie poprzez pięciokrotne obciążenie rozciągające każdej próbki z prędkością odkształcenia 1%/s do poziomu odkształcenia 1%.
  5. Utrzymuj każdą próbkę przy maksymalnym wydłużeniu 0% lub 10% przez 300 s, aby zbadać lepkosprężystą odpowiedź relaksacyjną tkanki.
  6. Po teście relaksacji naprężeń natychmiast rozciągnij tkankę z prędkością 1%/s aż do wystąpienia uszkodzenia mechanicznego.
  7. Udokumentuj miejsce uszkodzenia i potwierdź, że nie doszło do poślizgu, sprawdzając obecność próbek w zaciskach po zakończeniu testu (Rysunek 1H).

3. Pozyskiwanie danych

  1. Nie należy gromadzić żadnych danych podczas wstępnego kondycjonowania.
  2. Nagraj filmy z testów relaksacji naprężeń i badania wytrzymałości za pomocą dowolnej kamery cyfrowej przy minimalnej częstotliwości 30 klatek/s.
  3. Zbierz dane dotyczące czasu (s), obciążenia (N) i przemieszczenia (mm) przy użyciu oprogramowania do akwizycji danych (patrz Tabela materiałów) z częstotliwością próbkowania 250 próbek/s zarówno podczas testów relaksacji naprężeń, jak i badania wytrzymałości.
  4. Zapisz zebrane dane w pliku .csv i wykorzystaj je do analizy danych zgodnie ze szczegółami opisanymi w kroku 4.
  5. Wykonaj zdjęcia nieruchome zakleszczonej tkanki przed relaksacją naprężeń, po relaksacji naprężeń oraz po wystąpieniu zniszczenia (Rysunek 2).

4. Analiza danych

  1. Wprowadzanie danych
    1. Pobrać i zainstalować oprogramowanie do analizy danych MATLAB (patrz Tabela materiałów), w tym skrzynki narzędziowe „Optimization” oraz „Image Processing”.
    2. Pobrać skompresowany folder (Supplementary Coding File 1), który zawiera kody MATLAB oraz przykładowy zestaw danych służący do wyjaśnienia kroków analizy danych.
    3. Przejść do pobranego skompresowanego folderu i rozpakować jego zawartość.
    4. Uruchomić program MATLAB i ustawić rozpakowany folder jako katalog roboczy. Upewnić się, że w katalogu roboczym znajdują się następujące foldery i pliki oznaczone zgodnie z poniższą notatką. Upewnić się, że w tym katalogu nie ma żadnych dodatkowych folderów ani plików, ponieważ mogą one zakłócić działanie kodu i spowodować błąd.
      NOTATKA: (1) Failure (Post-Relaxation), (2) Failure Only, (3) Relaxation, (4) calc_relax_failure.m, (5) main_relax_failure.m, (6) testingDates.xlsx.
    5. Przejść do folderu Failure Only.
      NOTATKA: Dane zawarte w tym folderze pochodzą od grupy kontrolnej w niniejszym badaniu, tj. dane biomechaniczne z próbek tchawicy, które poddano awarii mechanicznej po 0% wydłużeniu.
    6. Przechowywać dane z próbek badanych w konkretnym dniu w jednym pliku Microsoft Excel, stosując następującą konwencję nazewnictwa: mmddrr. Na przykład dane ze wszystkich próbek tchawicy z grupy kontrolnej badanych 30 kwietnia 2022 r. muszą być zapisane w pliku Failure Only | 043022.xlsx.
      NOTATKA: Należy pamiętać, że w obecnym badaniu wszystkie testy biomechaniczne przeprowadzono w jednym dniu; jednak jeśli dane pochodziły z wielu dat testów, należy utworzyć nowy plik Microsoft Excel, nazwany zgodnie z opisaną konwencją, dla każdej z tych dat.
    7. Otworzyć plik Failure Only | 043022.xlsx i zwrócić uwagę na obecność wielu kart arkusza, z których każda zawiera surowe dane z każdej próbki poddanej awarii mechanicznej w tym konkretnym dniu, tj. 30 kwietnia 2022 r.
    8. Upewnić się, że próbki są oznaczone zgodnie z następującą konwencją: [typ próbki]_[numer próbki]_[wprowadzić poziom odkształcenia wstępnego wydłużenia]%.
      NOTATKA: Na przykład w niniejszym badaniu próbki tchawicy z grupy kontrolnej poddano testom awarii mechanicznej przy obciążeniu osiowym lub obwodowym bez wcześniejszej relaksacji naprężeń. Dlatego próbki te są nazwane w następującym formacie: odpowiednio TA_1_0% oraz TC_1_0%. Wartość 0% oznacza brak wstępnego wydłużenia. Próbki tchawicy z grupy eksperymentalnej były najpierw utrzymywane przy stałym wydłużeniu pod obciążeniem osiowym lub obwodowym wynoszącym 10% w celu oceny wiskoelastycznej odpowiedzi relaksacji naprężeń, a następnie poddano je awarii mechanicznej. Dlatego próbki te są nazwane w następującym formacie: TA_1_10% oraz TC_1_10% (proszę odnieść się do kroku 4.1.16 i kroku 4.1.23, reprezentujących odpowiednio warunki obciążenia osiowego i obwodowego).
    9. Wybrać kartę arkusza TA_1_0%. Upewnić się, że nagłówki kolumn danych surowych są oznaczone dokładnie tak, jak pogrubiono w poniższej notatce.
      NOTATKA: (1) Time (sec), (2) Load (N), (3) Position (mm), (4) Diameters (mm) (krok 1.7), (5) Average Cross-sectional Area (Thickness x Width, mm2) (uzyskane w kroku 1.5 i kroku 1.7), (6) Initial Length (mm) (krok 2.3).
    10. Zamknąć aktualny plik Microsoft Excel, Failure Only | 043022.xlsx.
    11. Powrócić do katalogu roboczego oprogramowania do analizy danych.
    12. Przejść do folderu Relaxation.
      NOTATKA: Dane zawarte w tym folderze pochodzą z grupy eksperymentalnej w niniejszym badaniu, tj. dane biomechaniczne z próbek tchawicy, które poddano testowi relaksacji naprężeń przy stałym wydłużeniu 10% przez 300 s.
    13. Przechowywać dane z próbek grupy eksperymentalnej badanych w konkretnym dniu w jednym pliku Microsoft Excel, stosując następującą konwencję oznaczania: mmddrr.
      NOTATKA: Na przykład dane ze wszystkich próbek tchawicy z grupy eksperymentalnej badanych 30 kwietnia 2022 r. muszą być zapisane w pliku Relaxation | 043022.xlsx. Szczegóły znajdują się w notatce do kroku 4.1.6.
    14. Otworzyć plik Relaxation | 043022.xlsx i zwrócić uwagę na obecność wielu kart arkusza, z których każda zawiera surowe dane relaksacji obciążenia dla każdej próbki z grupy eksperymentalnej badanej w tym konkretnym dniu, tj. 30 kwietnia 2022 r.
    15. Zatrzymać się i odnotować, że każda z próbek, wskazana przez karty arkuszy w tym pliku Microsoft Excel, została następnie poddana awarii mechanicznej pod obciążeniem mechanicznym rozciągającym.
      NOTATKA: Odpowiadające dane o awarii dla każdej z obecnych próbek muszą być przechowywane w folderze Failure (Post-Relaxation), opisanym dalej w kroku 4.1.20.
    16. Upewnić się, że próbki są oznaczone zgodnie z konwencją opisaną w kroku 4.1.8.
    17. Przejrzeć każdą kartę arkusza w aktualnym pliku Microsoft Excel i odnieść się do kroku 4.1.9, aby upewnić się, że surowe dane relaksacji obciążenia dla każdej próbki, wskazanej przez daną kartę, są poprawnie sformatowane.
    18. Zapisać i zamknąć aktualny plik Microsoft Excel, Relaxation | 043022.xlsx.
    19. Powrócić do katalogu roboczego oprogramowania do analizy danych.
    20. Przejść do folderu Failure (Post-Relaxation).
    21. Upewnić się, że istnieje plik lub pliki Microsoft Excel z tą samą datą lub datami (patrz krok 4.1.6 w celu uzyskania informacji o nazewnictwie plików Microsoft Excel odpowiadających każdej dacie testu), co w folderze Relaxation.
      NOTATKA: Dane zawarte w aktualnym folderze, Failure (Post-Relaxation), to odpowiadające surowe dane awarii mechanicznej z próbek tchawicy poddanych testowi relaksacji naprężeń przy stałym wydłużeniu 10% przez 300 s.
    22. Otworzyć plik Failure (Post-Relaxation) | 043022.xlsx i zauważyć wiele kart arkuszy, z których każda zawiera surowe dane awarii mechanicznej z tych samych próbek, które znajdują się w pliku Relaxation | 043022.xlsx.
    23. Upewnić się, że próbki są oznaczone zgodnie z konwencją wspomnianą w kroku 4.1.8 i że etykiety są zgodne z tymi w pliku Relaxation | 043022.xlsx.
      NOTATKA: Na przykład dane w aktualnym pliku Microsoft Excel dla TA_1_10% reprezentują surowe dane awarii mechanicznej dla preparatu tchawicy nr 1 pod obciążeniem osiowym, który wcześniej przeszedł test relaksacji naprężeń przy stałym wydłużeniu 10% przez 300 s.
    24. Przejrzeć każdą kartę arkusza i odnieść się do kroku 4.1.9, aby upewnić się, że kolumna nagłówka dla surowych danych awarii mechanicznej dla każdej próbki jest poprawnie sformatowana.
    25. Zamknąć aktualny plik Microsoft Excel, Failure (Post Relaxation) | 043022.xlsx.
    26. Powrócić do katalogu roboczego oprogramowania do analizy danych.
    27. Powtórzyć kroki 4.1.5-4.1.26 dla dodatkowych dat testów, jeśli dotyczy.
    28. Otworzyć plik Microsoft Excel testingDates.xlsx, który wskaże kodowi analizę wybranych przez użytkownika dat testów.
    29. Wymienić daty testów w pierwszej kolumnie w następującym formacie: mm/dd/rr.
    30. W drugiej kolumnie zaznaczyć za pomocą Y (tak) lub N (nie), czy jakiekolwiek próbki z tej konkretnej daty testu pochodziły z grupy eksperymentalnej (relaksacja naprężeń, a następnie awaria mechaniczna).
    31. W trzeciej kolumnie zaznaczyć za pomocą Y (tak) lub N (nie), czy jakiekolwiek próbki z tej konkretnej daty testu pochodziły z grupy kontrolnej (bezpośrednia awaria mechaniczna).
    32. Powtórzyć kroki 4.1.29-4.1.31 dla dodatkowych dat testów.
    33. Zapisać i zamknąć aktualny plik Microsoft Excel, testingDates.xlsx.
    34. Powrócić do katalogu roboczego oprogramowania do analizy danych.
    35. Otworzyć główny plik skryptu, main_relax_failure.m.
    36. Wybrać dużą, zieloną strzałkę w interfejsie oprogramowania, aby uruchomić kod. Alternatywnie wpisać run main_calc_relax w oknie poleceń.
    37. Po wyświetleniu prośby wprowadzić oddzielone przecinkami poziomy stałego wydłużenia (w %) dla poszczególnych grup eksperymentalnych i nacisnąć OK.
      NOTATKA: W niniejszym badaniu użyto tylko jednego wydłużenia relaksacji naprężeń, zatem należy wpisać 10. Nie wprowadzać 0% dla grupy kontrolnej. Jednak jeśli dane pochodziły z wielu wydłużeń, np. 10% i 20%, należy wpisać 10,20.
    38. Po wyświetleniu prośby wprowadzić oddzielone przecinkami czasy trwania testów relaksacji naprężeń (w sekundach) dla poszczególnych grup eksperymentalnych i nacisnąć OK.
      NOTATKA: W niniejszym badaniu próbki tchawicy były utrzymywane przy stałym wydłużeniu przez 300 s, zatem należy wprowadzić 300. Jeśli jednak dane pochodziły z wielu czasów relaksacji naprężeń, np. 90 s i 300 s, należy wpisać 90,300.
  2. Wiskoelastyczna odpowiedź relaksacji naprężeń
    1. Używając kodu (main_relax_failure.m), przekształcić dane obciążenie-czas (linia kodu 144) w dane nominalne naprężenie-czas za pomocą następującego równania19: figure-protocol-1, gdzie σ reprezentuje naprężenie (megapaskale [MPa]), F reprezentuje obciążenie obwodowe lub osiowe (newtony [N]), a A0 reprezentuje początkowy obszar przekroju poprzecznego (milimetry kwadratowe [mm2]).
    2. Używając kodu (main_relax_failure.m), wyznaczyć szczytowe wartości obciążenia i naprężenia (linie kodu 138 i 146) w odpowiedzi na zastosowanie 10% stałego wydłużenia próbki na początku 300-sekundowego testu relaksacji.
      NOTATKA: Wartości te są dalej określane jako odpowiednio początkowe obciążenie szczytowe i początkowe naprężenie szczytowe.
    3. Używając kodu (main_relax_failure.m), obliczyć procentową redukcję naprężenia (lub obciążenia) w 300 s (linie kodu 141 i 149) za pomocą następującego równania: figure-protocol-2, gdzie Rel% reprezentuje procent relaksacji, σ(0+) reprezentuje początkowe naprężenie szczytowe (lub początkowe obciążenie szczytowe), a σ(300) reprezentuje zarejestrowany poziom naprężenia (lub obciążenia) po relaksacji przez 300 s.
    4. W celu modelowania wiskoelastycznej odpowiedzi relaksacji naprężeń (linie kodu 152-161) przy użyciu dwuczłonowego modelu wykładniczego zaniku szeregu Prony’ego należy odnieść się do kodu (main_relax_failure.m). Model ten jest powszechnie stosowany do opisu zachowania wiskoelastycznego różnych tkanek biologicznych, w tym różnych poziomów chrzostnych dróg oddechowych (tchawicy, dużych oskrzeli i małych oskrzeli)21,22.
      NOTATKA: Obliczone wartości naprężeń [σ(t)] są normalizowane w celu uzyskania następującej zredukowanej funkcji relaksacji: figure-protocol-3 oraz G(0) = 1. Aby porównać wiskoelastyczne odpowiedzi relaksacji naprężeń, G(t) jest dopasowywane do krzywej za pomocą nieliniowej regresji najmniejszych kwadratów w następujący sposób: figure-protocol-4, gdzie t to czas podczas utrzymania relaksacji naprężeń, g to współczynnik relaksacji, τ1 i τ2 wskazują czasy relaksacji (w sekundach), które opisują odpowiednio zachowanie krótkoterminowe (początkowe) i długoterminowe (równowagowe) tkanki.
  3. Odpowiedź na awarię mechaniczną
    1. Użyć kodu (main_relax_failure.m), aby przekształcić dane obciążenie-przemieszczenie (linie kodu 143-144) zarejestrowane przez maszynę do testów rozciągania w nominalne dane naprężenie-odkształcenie za pomocą równań wspomnianych w poniższej notatce.
      NOTATKA: figure-protocol-5, gdzie σ reprezentuje nominalne naprężenie (MPa), F reprezentuje obciążenie obwodowe lub osiowe (N), a A0 reprezentuje początkowy obszar przekroju poprzecznego (mm2); figure-protocol-6, gdzie figure-protocol-7 reprezentuje wynikowe odkształcenie, ΔL reprezentuje przemieszczenie, a L0 reprezentuje początkową długość próbki. W przypadku próbek poddanych testom rozciągania prowadzącym do awarii po utrzymaniu relaksacji naprężeń, L0 reprezentuje długość tkanki po wstępnym wydłużeniu. Na przykład próbka 3 (początkowa długość 8 mm) została wstępnie wydłużona do 10%, zatem L0 przyjąto jako 8,8 mm do obliczenia wartości wynikowego odkształcenia19.
    2. Użyć funkcji (calc_relax_failure.m), aby zidentyfikować maksymalne obciążenie (tj. obciążenie awaryjne) i odpowiadające mu przemieszczenie awaryjne, a także maksymalne naprężenie (tj. naprężenie awaryjne) i odpowiadające mu odkształcenie awaryjne (linie kodu 33 i 61-63).
    3. Użyć funkcji (calc_relax_failure.m), aby odrzucić dane obciążenie-przemieszczenie następujące po obciążeniu awaryjnym (linia 34).
    4. Użyć funkcji (calc_relax_failure.m), aby wykreślić krzywą obciążenie-przemieszczenie i, po wyświetleniu prośby, ręcznie wybrać dwa punkty w obszarze liniowym krzywej, aby przybliżyć sztywność tkanki (N/mm) (linie kodu 37-58).
      NOTATKA: Ponieważ krzywa obciążenie-przemieszczenie jest normalizowana przez obszar przekroju poprzecznego i początkową długość próbki w celu uzyskania krzywej naprężenie-odkształcenie, kod wykorzystuje wybrane przez użytkownika współrzędne x i y z krzywej obciążenie-przemieszczenie do obliczenia modułu sprężystości (MPa) za pomocą następującego równania19: figure-protocol-8, gdzie E reprezentuje moduł sprężystości, x i y reprezentują wybrane współrzędne na krzywej obciążenie-przemieszczenie, A0 reprezentuje obszar przekroju poprzecznego, L0 reprezentuje długość próbki na początku awarii mechanicznej, a Δσ i Δfigure-protocol-9 reprezentują odpowiednio zmianę naprężenia i odkształcenia w obszarze liniowym odpowiedzi na awarię.
    5. Powtórzyć krok 4.3.4 dla każdej próbki.
  4. Wyjście danych
    1. Po pomyślnym uruchomieniu kodu upewnić się, że obliczone wyniki są dostępne w katalogu roboczym oprogramowania do analizy danych jako plik Microsoft Excel o następującej konwencji nazewnictwa: relax_failure_results_mmddrr.xlsx, gdzie mmddrr zostanie zastąpione datą uruchomienia kodu.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

Rysunek 1 przedstawia uszkodzoną tkankę w pobliżu miejsca zacisku oraz obecność tkanki wewnątrz zacisku, co potwierdza brak poślizgu podczas badania rozciągania. Rysunek 2 wskazuje różne miejsca pęknięć, w tym górne lub dolne miejsca zacisków bądź wzdłuż długości tkanki, które zaobserwowano podczas badania rozciągania analizowanych próbek. Wyniki analizy danych podsumowano na Rysunkach 3-4 oraz w

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

Bardzo niewiele badań wykazało właściwości tchawicy w zakresie relaksacji stresu21,23. Potrzebne są badania, aby jeszcze bardziej pogłębić naszą wiedzę na temat zależnych od czasu reakcji tkanki tchawicy. Niniejsze badanie oferuje szczegółowe kroki do przeprowadzenia takich badań; Jednakże w celu zapewnienia wiarygodnych badań muszą być zapewnione następujące kluczowe etapy w protokole: (1) właściwe uwodnienie tkanki, (2) podobny typ tkanki (liczba pierścieni chr...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Podziękowania

Badania opisane w tej publikacji były wspierane przez Narodowy Instytut Zdrowia Dziecka i Rozwoju Człowieka im. Eunice Kennedy Shriver z National Institutes of Health pod numerem R15HD093024 oraz Nagrodę Narodową Fundację Nauki CAREER numer 1752513.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
Jednorazowe bezpieczne skalpeleFine Science Tools Inc10000-10
eXpert 7600ADMET Inc.N/ANorwood, MA
Kleszcze  Fine Science Tools Inc11006-12 i 11027-12 lub 11506-12
Miernik BezpiecznyADMET Inc.Nie dotyczyDarmowe pobieranie
obrazu JNIHN/AOpen Source
Proramming Software - MATLAB MathworksN/Awersja 2018A
Nożyczki  Fine Science Tools Inc14094-11 lub 14060-09
Sterylny roztwór buforu fosforanowego Millipore, Thomas ScientificMFCD00131855

Bibliografia

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

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Tagi

Biomechanika tchawicyawaria mechanicznatchawica świńskaobciążenie rozciągającezachowanie wiskoelastyczneobciążenie osioweobciążenie obwodowebadania biomechaniczneanaliza danych
Badanie relaksacji stresu i reakcji na niepowodzenia w tchawicy
Skontaktuj się z nami
Poleć bibliotece

Prywatność

Warunki korzystania z usługi

Zasady

Prawa autorskie © 2026 MyJoVE Corporation. Wszelkie prawa zastrzeżone.