Summary
Den nuværende protokol bestemmer trækspændingsafslapning og svigtegenskaber for svin luftrør. Resultater fra sådanne metoder kan bidrage til at forbedre forståelsen af luftrørets viskoelastiske og svigttærskler og bidrage til at fremme kapaciteten af beregningsmodeller i lungesystemet.
Abstract
Luftrørets biomekaniske egenskaber påvirker direkte luftstrømmen og bidrager til åndedrætssystemets biologiske funktion. At forstå disse egenskaber er afgørende for at forstå skademekanismen i dette væv. Denne protokol beskriver en eksperimentel tilgang til undersøgelse af stress-afslapningsadfærden hos svin luftrør, der blev forspændt til 0% eller 10% belastning i 300 s, efterfulgt af mekanisk trækbelastning indtil svigt. Denne undersøgelse giver detaljer om det eksperimentelle design, dataindsamling, analyser og foreløbige resultater fra svinerør biomekanisk test. Ved hjælp af de detaljerede trin i denne protokol og dataanalyse MATLAB-koden kan fremtidige undersøgelser undersøge den tidsafhængige viskoelastiske opførsel af luftrørvæv, hvilket er afgørende for at forstå dets biomekaniske reaktioner under fysiologiske, patologiske og traumatiske tilstande. Desuden vil dybdegående undersøgelser af luftrørets biomekaniske opførsel kritisk hjælpe med at forbedre designet af relateret medicinsk udstyr såsom endotracheale implantater, der i vid udstrækning anvendes under operationer.
Introduction
På trods af sin kritiske rolle i lungesygdomme har den største luftvejsstruktur, luftrøret, begrænsede undersøgelser, der beskriver dets viskoelastiske egenskaber1. En dybdegående forståelse af luftrørets tidsafhængige, viskoelastiske opførsel er afgørende for lungemekanikforskning, da forståelse af de luftvejsspecifikke materialegenskaber kan hjælpe med at fremme videnskaben om skadeforebyggelse, diagnose og klinisk intervention for lungesygdomme, som er den tredje førende dødsårsag i USA 2,3,4.
Tilgængelige vævskarakteriseringsundersøgelser har rapporteret luftrørets stivhedsegenskaber 5,6,7,8. De tidsafhængige mekaniske reaktioner er blevet minimalt undersøgt på trods af deres betydning i vævsombygning, som også ændres af patologi 9,10. Desuden begrænser manglen på tidsafhængige responsdata også de forudsigelige muligheder for de lungemekanik beregningsmodeller, der i øjeblikket tyer til at bruge de generiske konstitutive love. Der er behov for at løse dette hul ved at udføre stressafslapningsundersøgelser, der kan give de nødvendige materialeegenskaber til at informere biofysiske undersøgelser af luftrøret. Den aktuelle undersøgelse giver detaljer om testmetoder, dataindsamling og dataanalyser for at undersøge porcinrørets stressafslapningsadfærd.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Alle beskrevne metoder blev godkendt af Institutional Animal Care and Use Committee (IACUC) ved Drexel University. Alle kadaveriske dyr blev erhvervet fra en amerikansk landbrugsministerium (USDA) -godkendt gård beliggende i Pennsylvania, USA. Et kadaver af en Yorkshire-hangris (3 uger gammel) blev anvendt til denne undersøgelse.
1. Vævshøst
- Anskaf et kadaver af et svin fra en godkendt gård og udfør forsøgene inden for 2 timer fra eutanasi. Opbevar kadaveret på is, indtil vævshøsten er afsluttet for at sikre, at de friske vævsbiomekaniske egenskaber bevares.
BEMÆRK: I den offentliggjorte litteratur udføres frisk vævstest hos dyr almindeligvis inden for 2 timer efter eutanasi. For detaljer, sereferencerne 11,12,13,14,15,16,17,18,19. - Placer kadaveret i liggende stilling, lav et lodret midterlinjesnit langs halsen, og udsæt skjoldbruskkirtlen brusk, cricoid brusk og luftrør fra hyoidbenet til det suprasternale hak.
- Høst strubehovedet og luftrøret i fuld længde ved hjælp af et blad nr. 10 (figur 1A).
- Luftrørets prøve adskilles fra strubehovedet, og trækrøret skæres derefter i længderetningen langs hele længden på den ene side ved hjælp af bladet #10 (figur 1B).
- Mål tykkelsen af luftrøret ved hjælp af det erhvervede tværsnitsbillede (opnået ved hjælp af ImageJ20, se Materialetabel) (figur 1C). Brug den målte vævstykkelse til at beregne tværsnitsarealet under dataanalyse.
- Luftrøret skæres i to omkredsstrimler, der er ca. 5 mm brede (proximalt) og to langsgående strimler, der er ca. 5 mm brede (distalt), idet mindste længde af disse strimler er 25 mm (figur 1D).
- Få billeder af de fire prøver (dvs. skåret luftrørstrimler) sammen med en lineal. Brug disse billeder til at levere digitaliserede målinger af prøvebredden ved hjælp af billede J (figur 1E). Brug derefter denne målte bredde til at beregne prøvens tværsnitsareal under dataanalyse.
- Sørg for, at alle vævsprøver holdes hydreret ved hjælp af steril fosfatbufferet saltvand (PBS) opløsning under hele undersøgelsen. Opbevar prøverne hydreret i PBS-gennemblødt gasbind, indtil de er klar til test. Nedsænk vævet i PBS lige før test for korrekt hydrering.
2. Biomekanisk test
- Fastgør hver prøve til en specialdesignet klemme (se de foregående rapporter 11,12,13,14,15,16,17,18,19), således at prøven holdes i længderetningen mellem klemmerne (figur 1F).
- Fastgør forsigtigt klemmerne (uden at inducere nogen strækning) til en materialeprøvningsmaskine (se Materialetabel), som har en 50 N vejecelle fastgjort til den øverste aktuator (figur 1G).
- Mål greb-til-greb (dvs. klemme) afstanden ved hjælp af en lineal. Brug denne afstand som den indledende vævslængde til belastningsberegninger.
- Udfør prækonditionering ved trækbelastning af hver prøve fem gange med en belastningshastighed på 1% til 1% belastning.
- Hold hver prøve ved maksimal forlængelse på 0% eller 10% i 300 s for at undersøge vævets viskoelastiske stress-afslapningsrespons.
- Efter stressafspændingstesten strækkes vævet straks med 1%/s, indtil der opstår mekanisk svigt.
- Dokumenter fejlstedet, og bekræft, at der ikke er sket nogen skred ved at sikre tilstedeværelsen af prøver i klemmerne efter test (figur 1H).
3. Dataindsamling
- Indhent ikke data under klargøring.
- Optag stress-afslapning og fejltestvideoer ved hjælp af ethvert digitalt kamera med mindst 30 billeder / s.
- Indhent tid (r), belastning (N) og forskydningsdata (mm) ved hjælp af en dataindsamlingssoftware (se Materialetabel) med en samplingshastighed på 250 prøver / s under både stressafslapning og fejltest.
- Gem de erhvervede data som en .csv-fil, og brug den til dataanalyse som beskrevet i trin 4.
- Få stillbilleder af det fastspændte væv før stress-afslapning, efter stress-afslapning og efter fiasko (figur 2).
4. Analyse af data
- Indtastning af data
- Download og installer MATLAB-dataanalysesoftware (se materialetabel), herunder værktøjskasserne "Optimering" og "Billedbehandling".
- Download zip-mappen (Supplementary Coding File 1), som indeholder MATLAB-koderne og et eksempeldatasæt, der skal bruges til at forklare dataanalysetrinnene.
- Naviger til den downloadede zip-mappe, og udpak dens indhold.
- Åbn MATLAB , og indstil den udpakkede mappe som arbejdsmappe. Sørg for, at arbejdsmappen har følgende mapper og filer mærket som nævnt i noten nedenfor. Sørg for, at der ikke findes yderligere mapper eller filer i denne arbejdsmappe, da de kan forstyrre koden og resultere i en fejl.
BEMÆRK: (1) Fejl (efter afslapning), (2) Kun fejl, (3) Afslapning, (4) calc_relax_failure, (5) main_relax_failure, (6) testdatoer.xlsx. - Naviger til mappen Kun fejl .
BEMÆRK: Data indeholdt i denne mappe er afledt af kontrolgruppen i denne undersøgelse, dvs. biomekaniske data fra trakealprøver, der blev udsat for mekanisk svigt efter en forlængelse på 0%. - Gem data fra prøver, der er testet på en bestemt dato, i én Microsoft Excel-fil ved hjælp af følgende filnavngivningskonvention: mmddyy. For eksempel skal data fra alle kontrolgruppe trakeale prøver testet den 30. april 2022 gemmes i Failure Only | 043022.xlsx.
BEMÆRK: Bemærk, at i den aktuelle undersøgelse blev alle biomekaniske test udført på en enkelt dag; Men hvis data stammer fra flere testdatoer, skal du oprette en ny Microsoft Excel-fil, der er navngivet i den beskrevne konvention, for hver af disse testdatoer. - Åbn kun fejl | 043022.xlsx og anerkende, at der er flere regnearksfaner, der hver indeholder de rå data fra hver prøve, der udsættes for mekanisk fejl på denne bestemte dato, dvs. 30. april 2022.
- Sørg for, at prøverne er mærket ved hjælp af følgende konvention: [prøvetype]_[prøvenummer]_[indsæt belastningsniveau før strækning]%.
BEMÆRK: For eksempel blev kontrolgruppens trakeale prøver i den aktuelle undersøgelse udsat for mekanisk fejlprøvning under aksial eller perifer belastning uden forudgående spændingsafslapning. Derfor er disse prøver navngivet i følgende format: henholdsvis TA_1_0% og TC_1_0%. De 0% angiver ingen forstrækning. Trachealprøver fra vores eksperimentelle gruppe blev først holdt ved fast forlængelse under aksial eller perifer belastning på 10% for at evaluere det viskoelastiske spændingsafslapningsrespons og derefter udsat for mekanisk svigt. Derfor er disse prøver navngivet i følgende format: TA_1_10% og TC_1_10% (se trin 4.1.16 og trin 4.1.23, der repræsenterer henholdsvis aksiale og omkredsbelastningsbetingelser). - Vælg regnearksfanen TA_1_0%. Sørg for, at de rå dataoverskriftskolonner er mærket nøjagtigt som skrevet med fed skrift i noten nedenfor.
BEMÆRK: (1) Tid (sek.), (2) Belastning (N), (3) Position (mm), (4) Diametre (mm) (trin 1.7), (5) Gennemsnitligt tværsnitsareal (Tykkelse x Bredde, mm2) (opnået i trin 1.5 og trin 1.7), (6) Indledende længde (mm) (trin 2.3). - Luk den aktuelle Microsoft Excel-fil, kun fejl | 043022.xlsx.
- Gå tilbage til arbejdsmappen for dataanalysesoftwaren.
- Naviger til mappen Afslapning.
BEMÆRK: Data indeholdt i denne mappe er afledt af den eksperimentelle gruppe i denne undersøgelse, dvs. biomekaniske data fra trakealprøver, der blev udsat for stressafslapningstest ved en fast forlængelse på 10% i 300 s. - Gem data fra de eksperimentelle gruppeprøver, der er testet på en bestemt dato, i én Microsoft Excel-fil ved hjælp af følgende mærkningskonvention: mmddyy.
BEMÆRK: For eksempel skal data fra alle eksperimentelle gruppe trakealprøver testet den 30. april 2022 opbevares i Relaxation | 043022.xlsx. Se noten i trin 4.1.6 for yderligere oplysninger. - Åben | 043022.xlsx og anerkende, at der er flere regnearksfaner, der hver indeholder de rå belastningsafslapningsdata fra hver prøve i den eksperimentelle gruppe, der blev testet på denne bestemte dato, dvs. 30. april 2022.
- Pause og bemærk, at hver af prøverne, som angivet af regnearksfanerne i denne Microsoft Excel-fil, efterfølgende blev udsat for mekanisk fejl under trækmekanisk belastning.
BEMÆRK: De tilsvarende fejldata for hver af de tilstedeværende prøver skal gemmes i mappen Failure (Post-Relaxation), der er yderligere beskrevet i trin 4.1.20. - Sørg for, at prøverne er mærket ved hjælp af den konvention, der er beskrevet i trin 4.1.8.
- Skift mellem hver regnearksfane, der findes i den aktuelle Microsoft Excel-fil, og se trin 4.1.9 for at sikre, at rå belastningsafslapningsdata for hvert eksempel, angivet med en given regnearksfane, formateres korrekt.
- Gem og luk den aktuelle Microsoft Excel-fil, Relaxation | 043022.xlsx.
- Gå tilbage til arbejdsmappen for dataanalysesoftwaren.
- Naviger til mappen Fejl (efter afslapning).
- Sørg for, at der er en Eller flere Microsoft Excel-filer med samme dato(er) (se trin 4.1.6 for at få oplysninger om navngivning af de Microsoft Excel-filer, der svarer til hver testdato), som findes i mappen Afslapning.
BEMÆRK: Data indeholdt i den aktuelle mappe, Failure (Post-Relaxation), er de tilsvarende rå mekaniske fejldata fra trakealprøver, der udsættes for stresstest ved en fast forlængelse på 10% i 300 s. - Åben fejl (efter afslapning) | 043022.xlsx og genkende flere regnearksfaner, som hver indeholder rå mekaniske fejldata fra de samme prøver, der findes i Afslapning | 043022.xlsx.
- Sørg for, at prøverne er mærket ved hjælp af konventionen nævnt i trin 4.1.8, og at etiketterne svarer til etiketterne i Relaxation | 043022.xlsx.
BEMÆRK: For eksempel repræsenterer dataene i den aktuelle Microsoft Excel-fil til TA_1_10% rå mekaniske fejldata for trakealprøve nr. 1 under aksial belastning, der tidligere gennemgik stressafslapningstest ved 10% fast forlængelse i 300 s. - Skift mellem hver regnearksfane, og se trin 4.1.9 for at sikre, at overskriftskolonnen for de rå mekaniske fejldata for hvert eksempel er formateret korrekt.
- Luk den aktuelle Microsoft Excel-fil, Fejl (efter afslapning) | 043022.xlsx.
- Gå tilbage til arbejdsmappen for dataanalysesoftwaren.
- Trin 4.1.5-4.1.26 gentages for yderligere prøvningsdatoer, alt efter hvad der er relevant.
- Åbn Microsoft Excel-filen, testingDates.xlsx, som dirigerer koden til at analysere brugerspecificerede testdatoer.
- Angiv testdatoer i første kolonne i følgende format: mm/dd/åå.
- I den anden kolonne angives det ved hjælp af et Y (for ja) eller N (for nej), om nogen prøver på denne særlige testdato var fra gruppen eksperimentel (spændingsafslapning efterfulgt af mekanisk svigt).
- I tredje kolonne angives det ved hjælp af et Y (for ja) eller N (for nej), om nogen prøver på denne særlige prøvningsdato var fra kontrolgruppen (direkte mekanisk svigt).
- Trin 4.1.29-4.1.31 gentages for yderligere prøvningsdatoer.
- Gem og luk den aktuelle Microsoft Excel-fil, testdatoer.xlsx.
- Gå tilbage til arbejdsmappen for dataanalysesoftwaren.
- Åbn hovedscriptfilen main_relax_failure.m.
- Vælg den store, grønne pil på softwaregrænsefladen for at køre koden. Alternativt kan du skrive kør main_calc_relax i kommandovinduet.
- Når du bliver bedt om det, skal du indtaste kommaseparerede faste forlængelsesniveauer (i %) for de forskellige eksperimentelle grupper og trykke på OK.
BEMÆRK: I den aktuelle undersøgelse blev der kun brugt en stressafspændingsforlængelse, dvs. indtast 10. Medtag ikke 0% for kontrolgruppen. Men hvis data stammer fra flere forlængelser, for eksempel 10% og 20%, skal du indtaste 10,20. - Når du bliver bedt om det, skal du indtaste kommaseparerede stress-afslapningstestvarigheder (i sekunder) for de forskellige eksperimentelle grupper og trykke på OK.
BEMÆRK: I den aktuelle undersøgelse blev trakealprøver holdt ved fast forlængelse i 300 s og dermed input 300. Men hvis data blev afledt af flere stressafslapningsvarigheder, for eksempel 90 s og 300 s, skal du indtaste 90.300.
- Viskoelastisk stress afslapningsrespons
- Ved hjælp af koden (main_relax_failure.m) konverteres belastningstidsdata (kodelinje 144) til nominelle stresstidsdata ved hjælp af følgende ligning19:
, hvor σ repræsenterer stress (mega Pascals [MPa]), F repræsenterer omkreds- eller aksial belastning (Newtons [N]), og A0 repræsenterer det oprindelige tværsnitsareal (millimeter kvadreret [mm2]). - Ved hjælp af koden (main_relax_failure.m) bestemmes spidsbelastnings- og spændingsstørrelserne (kodelinje 138 og 146) som reaktion på anvendelsen af den 10% faste forlængelse på prøven i begyndelsen af 300 s afslapningstesten.
BEMÆRK: Disse værdier benævnes herefter henholdsvis initial peak load og initial peak stress. - Brug koden (main_relax_failure.m) til at beregne den procentvise reduktion i stress (eller belastning) ved 300 s (kodelinje 141 og 149) ved hjælp af følgende ligning:
, hvor Rel% repræsenterer afslapningsprocenten, repræsenterer σ (0+) den indledende spidsbelastning (eller indledende spidsbelastning), og σ (300) repræsenterer det registrerede stressniveau (eller belastning) efter afslapning over 300 s. - Se koden (main_relax_failure.m) til modellering af det viskoelastiske stressafslapningsrespons (kodelinjer 152-161) ved hjælp af en to-term Prony-serie eksponentiel henfaldsmodel. Denne model bruges almindeligvis til at beskrive den viskoelastiske opførsel af forskellige biologiske væv, herunder forskellige bruskluftvejsniveauer (luftrør, store bronchi og små bronchi)21,22.
BEMÆRK: Beregnede stressværdier [σ(t)] normaliseres for at producere følgende reducerede afslapningsfunktion:
og G(0) = 1. For at sammenligne viskoelastiske stress-afslapningsresponser er G (t) kurvetilpasset ved hjælp af ikke-lineær mindste kvadraters regression som følger: 
, hvor t er tiden under stressafslapningshold, g er afslapningskoefficienten, τ1 og τ2 og angiver afslapningstiderne (i sekunder), der beskriver henholdsvis vævets kort- (indledende) og langsigtede (ligevægt) opførsel.
- Ved hjælp af koden (main_relax_failure.m) konverteres belastningstidsdata (kodelinje 144) til nominelle stresstidsdata ved hjælp af følgende ligning19:
- Mekanisk fejlrespons
- Brug kode (main_relax_failure.m) til at konvertere belastningsforskydningsdata (kodelinjer 143-144), der er registreret af trækprøvningsmaskinen, til nominelle belastningsdata ved hjælp af ligningerne nævnt i noten nedenfor.
BEMÆRK:, hvor σ repræsenterer nominel belastning (MPa), F repræsenterer omkreds- eller aksial belastning (N), og A0 repræsenterer det oprindelige tværsnitsareal (mm2); 
, hvor 
repræsenterer resulterende belastning, repræsenterer ΔL forskydning, og L0 repræsenterer prøvens indledende længde. For prøver, der udsættes for svigt i trækprøvning efter spændingsafslapningshold, repræsenterer L0 vævets forspændte længde. For eksempel blev prøve 3 (indledende længde på 8 mm) forspændt til 10%, og derfor blev L0 betragtet som 8,8 mm til beregning af de resulterende belastningsværdier19. - Brug funktionen (calc_relax_failure.m) til at identificere den maksimale belastning (dvs. fejlbelastning) og tilsvarende fejlforskydning samt den maksimale belastning (dvs. fejlspænding) og tilsvarende fejlbelastning (kodelinje 33 og 61-63).
- Brug funktionen (calc_relax_failure.m) til at kassere belastningsforskydningsdataene efter fejlbelastningen (linje 34).
- Brug funktionen (calc_relax_failure.m) til at afbilde belastningsforskydningskurven, og vælg, når du bliver bedt om det, manuelt to punkter i kurvens lineære område for at tilnærme vævsstivheden (N/mm) (kodelinje 37-58).
BEMÆRK: Da belastningsforskydningskurven normaliseres af tværsnitsarealet og prøvens indledende længde for at give spændingsbelastningskurven, bruger koden de brugervalgte x- og y-koordinater fra belastningsforskydningskurven til at beregne elasticitetsmodulet (MPa) ved hjælp af følgende ligning19:
, hvor E repræsenterer elasticitetsmodulet, x og y repræsenterer de valgte koordinater på belastningsforskydningskurven, A0 repræsenterer tværsnitsarealet, L0 repræsenterer længden af prøven i begyndelsen af mekanisk svigt, og Δσ og Δ repræsenterer ændringen i henholdsvis stress og belastning over det lineære område af fejlresponset. - Trin 4.3.4 gentages for hver prøve.
- Brug kode (main_relax_failure.m) til at konvertere belastningsforskydningsdata (kodelinjer 143-144), der er registreret af trækprøvningsmaskinen, til nominelle belastningsdata ved hjælp af ligningerne nævnt i noten nedenfor.
- Data output
- Når koden er kørt korrekt, skal du sikre dig, at de beregnede resultater er tilgængelige i dataanalysesoftwarens arbejdsmappe som en Microsoft Excel-fil i følgende navngivningskonvention: relax_failure_results_mmddyy.xlsx, hvor mmddyy erstattes af den dato, hvor koden blev kørt.
, hvor σ repræsenterer stress (mega Pascals [MPa]), F repræsenterer omkreds- eller aksial belastning (Newtons [N]), og A0 repræsenterer det oprindelige tværsnitsareal (millimeter kvadreret [mm2]).
, hvor Rel% repræsenterer afslapningsprocenten, repræsenterer σ (0+) den indledende spidsbelastning (eller indledende spidsbelastning), og σ (300) repræsenterer det registrerede stressniveau (eller belastning) efter afslapning over 300 s.
og G(0) = 1. For at sammenligne viskoelastiske stress-afslapningsresponser er G (t) kurvetilpasset ved hjælp af ikke-lineær mindste kvadraters regression som følger: 
, hvor t er tiden under stressafslapningshold, g er afslapningskoefficienten, τ1 og τ2 og angiver afslapningstiderne (i sekunder), der beskriver henholdsvis vævets kort- (indledende) og langsigtede (ligevægt) opførsel.
, hvor 
repræsenterer resulterende belastning, repræsenterer ΔL forskydning, og L0 repræsenterer prøvens indledende længde. For prøver, der udsættes for svigt i trækprøvning efter spændingsafslapningshold, repræsenterer L0 vævets forspændte længde. For eksempel blev prøve 3 (indledende længde på 8 mm) forspændt til 10%, og derfor blev L0 betragtet som 8,8 mm til beregning af de resulterende belastningsværdier19.
, hvor E repræsenterer elasticitetsmodulet, x og y repræsenterer de valgte koordinater på belastningsforskydningskurven, A0 repræsenterer tværsnitsarealet, L0 repræsenterer længden af prøven i begyndelsen af mekanisk svigt, og Δσ og ΔSubscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Figur 1 viser det mislykkede væv nær fastspændingsstedet og tilstedeværelsen af væv i klemmen, hvilket bekræfter, at der ikke er nogen glidning under trækprøvning. Figur 2 viser forskellige fejlsteder, herunder de øverste eller nederste fastspændingssteder eller langs vævets længde, der blev observeret under trækprøvning blandt de testede prøver. Dataanalyseresultater er opsummeret i figur 3-4 og tabel 1-2. Stressafslapningsresponser for trakealprøver efter aksial eller omkredsforstrækning til 10% belastning er vist i figur 3. Den indledende spidsbelastning og stress, den procentvise reduktion i stress over 300 s hold og tidskonstanter, t1 og t2, i en 2-term Prony-serie afslapningsfunktion blev beregnet ud fra disse afslapningskurver. Disse viskoelastiske parametre er inkluderet i tabel 1. Spændingsbelastningsresponserne for trakealprøven, der udsættes for fejlprøvning under aksiale eller perifere belastninger uden forstrækning eller 10% forstrækning, er vist i figur 4. Fra disse kurver blev fejlspænding og den tilsvarende fejlbelastning samt elasticitetsmodulet bestemt og er anført i tabel 2.
De foreløbige tests karakteriserede med succes trachealvævets stress-afslapningsresponser. I disse indledende eksperimenter rapporterede 10% pre-stretch stress-afslapningsrespons, at den oprindelige spidsspænding var højere i aksiale belastningsretninger, mens den procentvise reduktion i stress var højere i den omkredsliggende belastningsretning sammenlignet med den aksiale belastningsretning (tabel 1). Afslapningstiderne (τ1 og τ2 , der beskriver vævets kort- [initiale] og langsigtede [ligevægts] opførsel) var også højere i den aksiale belastningsretning sammenlignet med den perifere belastningsretning for den samme 10% præstrækgruppe. Ved sammenligning af fejldataene var fejlspændings- og E-værdierne højere i perifere belastningsretninger i både 0% og 10% pre-stretch-grupperne, mens den fejlbelastning, der blev rapporteret i de aksiale belastningsretninger, var højere (tabel 2). Disse foreløbige resultater berettiger yderligere eksperimenter til yderligere at karakterisere stress-afslapnings- og fejlresponserne i trakealvæv for bedre at forstå dets stress-afslapningsresponser under trækbelastningsforhold, både aksialt eller perifert. De trin, der er beskrevet i denne protokol, kan hjælpe med at nå dette mål.
Figur 1: Vævshøstning og mekaniske testdetaljer. Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 2: Fejlwebsteder. Prøvefejlsteder som angivet med gule pile. Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 3: Stressafslapningsrespons over et 300 s hold af luftrørprøver, der er forspændt til 10% belastning. (A) Aksial eller (B) omkredsbelastning (n = 1 pr. Belastningstilstand). Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 4: Stress-strain response for failure testing af luftrørsprøver under aksial eller circumferential loading uden pre-stretch eller 10% pre-stretch (n = 1 per loading condition). Klik her for at se en større version af denne figur.
| Prøve | Belastning før strækning | Indlæser retning | Indledende spidsbelastning (N) | Indledende peak stress (MPa) | % reduktion i stress | τ1 (s) | τ2 (s) | Justeret R2 (%) | |
| 3 | 10% | Aksial | 0.56 | 0.089 | 33.93 | 11.59 | 152.44 | 98.79 | |
| 4 | Omkredsen | 0.26 | 0.057 | 42.31 | 1.58 | 14.86 | 99.08 | ||
Tabel 1: Målte og beregnede værdier for spændingsafslapning for luftrørsprøver, der udsættes for en forstrækning på 10% belastning for at gennemgå stressafslapning i 300 s.
| Prøve | Belastning før strækning | Indlæser retning | Fejl stress (MPa) | Fejl belastning | Elasticitetsmodul (MPa) |
| 3 | 10% | Aksial | 0.89 | 0.38 | 2.9 |
| 4 | Omkredsen | 1.78 | 0.51 | 3.74 | |
| 5 | 0% (kun fejl) | Aksial | 1.02 | 0.86 | 2.3 |
| 6 | Omkredsen | 2.15 | 0.57 | 6.3 |
Tabel 2: Fejlresponser for luftrørsprøver under forskellige eksperimentelle grupper.
Supplerende kodningsfil 1: De brugerdefinerede koder til at studere luftrørets stress-afslapningsadfærd. Klik her for at downloade denne fil.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Meget få undersøgelser har rapporteret stress-afslapning egenskaber af luftrøret21,23. Undersøgelser er nødvendige for yderligere at styrke vores forståelse af trakealvævets tidsafhængige reaktioner. Denne undersøgelse giver detaljerede trin til at udføre sådanne undersøgelser; følgende kritiske trin i forsøgsprotokollen skal dog sikres for pålidelig testning: 1) korrekt vævshydrering, 2) lignende vævstype (antal bruskringe og muskler) fordeling i omkredsprøver og langsgående prøver, 3) fastspænding af prøven uden forstrækning, 4) anvendelse af prøvetykkelse og -bredde til at estimere det tværsnitsareal, der anvendes til at beregne vævsspændingen under biomekanisk trækprøvning, 5) korrekt fastspænding af vævsprøven, 6) ved hjælp af målelængden af den fastspændte prøve til at indtaste belastningshastigheden på 1 %/s til trækprøvning og 7) bekræftelse af, at der ikke er glidning med tilstedeværelse af væv i klemmen efter testning. Derudover kan fejlfinding kræve genstart af dataindsamlingssoftwaren for at genoprette kommunikationen med testenhedens controller.
Den aktuelle undersøgelse giver også detaljerede beskrivelser af testmetoder, dataanalyser og de brugerdefinerede MATLAB-koder (Supplementary Coding File 1), der er oprettet for at studere luftrørets stressafslapningsadfærd. Ingen forudgående undersøgelser giver så omfattende oplysninger. Desuden kan de metoder, der er beskrevet i den aktuelle undersøgelse, på uddannelsesfronten let integreres som et undervisningsmodul til stress-afslapningslaboratorier i ingeniørkurser i både traditionelle såvel som virtual reality-formater 24,25,26,27.
Aktuelt tilgængelige stress-afslapningsundersøgelser på luftrøret og andet blødt væv passer til afslapningsfunktionen i en to-term Prony-serie 28,29,30. Den nuværende undersøgelse bruger også denne funktion; fremtidige undersøgelser kunne dog udvide deres undersøgelse ved at anvende kvasi-lineære viskoelastiske modelleringsteknikker til at karakterisere viskoelastisk adfærd. Sådanne undersøgelser vil ikke kun hjælpe med at skabe en robust prædiktiv beregningsmodel af luftvejsbiomekanik, men også hjælpe med at designe implantater såsom luftvejsstenter, der kræver vævsmaterialeegenskaber til præstationstest.
Endelig kan de metoder, der er beskrevet i denne undersøgelse, ikke kun bruges til at vurdere virkningerne af alder og arter på luftrørets stressafslapningsadfærd, men kan også anvendes på andet blødt og hårdt væv såsom ledbånd, intervertebrale diske og knogler. Sådanne viskoelastiske data kan integreres for at forbedre eksisterende high-fidelity finite element beregningsmodeller 31,32,33.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne har intet at afsløre.
Acknowledgments
Forskning rapporteret i denne publikation blev støttet af Eunice Kennedy Shriver National Institute of Child Health and Human Development fra National Institutes of Health under Award Number R15HD093024 og National Science Foundation CAREER Award Number 1752513.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Disposable safety scalpels | Fine Science Tools Inc | 10000-10 | |
| eXpert 7600 | ADMET Inc. | N/A | Norwood, MA |
| Forceps | Fine Science Tools Inc | 11006-12 and 11027-12 or 11506-12 | |
| Gauge Safe | ADMET Inc. | N/A | Free Download |
| Image J | NIH | N/A | Open Source |
| Proramming Software - MATLAB | Mathworks | N/A | version 2018A |
| Scissors | Fine Science Tools Inc | 14094-11 or 14060-09 | |
| Sterile phosphate buffer solution | Millipore, Thomas Scientific | MFCD00131855 |
References
- Brand-Saberi, B. E. M., Schäfer, T.
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Teng, Z., et al. Anisotropic material behaviours of soft tissues in human trachea: An experimental study. Journal of Biomechanics. 45 (9), 1717-1723 (2012).
- 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).
- Ambrosi, D., et al. Perspectives on biological growth and remodeling. Journal of the Mechanics and Physics of Solids. 59 (4), 863-883 (2011).
- Bai, T. R., Knight, D. A. Structural changes in the airways in asthma: Observations and consequences. Clinical Science. 108 (6), 463-477 (2005).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Singh, A., Magee, R., Balasubramanian, S. Mechanical properties of cervical spinal cord in neonatal piglet: in vitro. Neurology and Neurobiology. 3 (2), (2020).
- 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).
- 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).
- Singh, A. The effects of tensile loading on mechanical, neurophysiological and morphological changes in spinal nerve roots. , Wayne State University. PhD thesis (2006).
- 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).
- 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).
- 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).
- Safshekan, F., Tafazzoli-Shadpour, M., Abdouss, M., Shadmehr, M. B. Viscoelastic properties of human tracheal tissues. Journal of Biomechanical Engineering. 139 (1), (2017).
- Singh, A. A new approach to teaching biomechanics through active, adaptive, and experiential learning. Journal of Biomechanical Engineering. 139 (7), 0710011-0710017 (2017).
- 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).
- 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).
- Singh, A., Ferry, D., Ramakrishnan, A., Balasubramanian, S. Using virtual reality in biomedical engineering education. Journal of Biomechanical Engineering. 142 (11), 111013 (2020).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
